RU2349990C2 - Method of electron-phonon drag - Google Patents
Method of electron-phonon drag Download PDFInfo
- Publication number
- RU2349990C2 RU2349990C2 RU2006138918/28A RU2006138918A RU2349990C2 RU 2349990 C2 RU2349990 C2 RU 2349990C2 RU 2006138918/28 A RU2006138918/28 A RU 2006138918/28A RU 2006138918 A RU2006138918 A RU 2006138918A RU 2349990 C2 RU2349990 C2 RU 2349990C2
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- electrodes
- phonons
- electron
- temperature
- uef
- Prior art date
Links
- 238000000034 method Methods 0.000 title claims description 54
- 239000000463 material Substances 0.000 claims abstract description 233
- 230000000694 effects Effects 0.000 claims abstract description 73
- 239000000758 substrate Substances 0.000 claims abstract description 58
- 239000004065 semiconductor Substances 0.000 claims abstract description 56
- 230000005684 electric field Effects 0.000 claims abstract description 7
- 230000035515 penetration Effects 0.000 claims abstract description 7
- 238000002844 melting Methods 0.000 claims abstract description 4
- 230000008018 melting Effects 0.000 claims abstract description 4
- 230000007704 transition Effects 0.000 claims description 55
- 230000006698 induction Effects 0.000 claims description 25
- 230000008859 change Effects 0.000 claims description 16
- 238000010521 absorption reaction Methods 0.000 claims description 12
- 230000003287 optical effect Effects 0.000 claims description 12
- 239000002800 charge carrier Substances 0.000 claims description 11
- 238000005036 potential barrier Methods 0.000 claims description 10
- 238000005286 illumination Methods 0.000 claims description 7
- 230000003595 spectral effect Effects 0.000 claims description 7
- 125000004122 cyclic group Chemical group 0.000 claims description 3
- 238000006073 displacement reaction Methods 0.000 claims description 2
- 239000013078 crystal Substances 0.000 abstract description 35
- 239000000126 substance Substances 0.000 abstract description 2
- 230000005611 electricity Effects 0.000 abstract 1
- 229910000673 Indium arsenide Inorganic materials 0.000 description 18
- RPQDHPTXJYYUPQ-UHFFFAOYSA-N indium arsenide Chemical compound [In]#[As] RPQDHPTXJYYUPQ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 18
- 229910052710 silicon Inorganic materials 0.000 description 17
- XUIMIQQOPSSXEZ-UHFFFAOYSA-N Silicon Chemical compound [Si] XUIMIQQOPSSXEZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 16
- 239000010703 silicon Substances 0.000 description 16
- OKTJSMMVPCPJKN-UHFFFAOYSA-N Carbon Chemical compound [C] OKTJSMMVPCPJKN-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 13
- 229910001218 Gallium arsenide Inorganic materials 0.000 description 13
- 239000010439 graphite Substances 0.000 description 12
- 229910002804 graphite Inorganic materials 0.000 description 12
- 230000007423 decrease Effects 0.000 description 11
- 230000003993 interaction Effects 0.000 description 11
- 230000010355 oscillation Effects 0.000 description 11
- 238000009792 diffusion process Methods 0.000 description 9
- WPYVAWXEWQSOGY-UHFFFAOYSA-N indium antimonide Chemical compound [Sb]#[In] WPYVAWXEWQSOGY-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 9
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 description 8
- 229910052751 metal Inorganic materials 0.000 description 8
- 239000002184 metal Substances 0.000 description 8
- 230000008569 process Effects 0.000 description 8
- 230000005855 radiation Effects 0.000 description 8
- 238000001228 spectrum Methods 0.000 description 8
- 230000008878 coupling Effects 0.000 description 7
- 238000010168 coupling process Methods 0.000 description 7
- 238000005859 coupling reaction Methods 0.000 description 7
- 239000002238 carbon nanotube film Substances 0.000 description 6
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 6
- 238000009826 distribution Methods 0.000 description 6
- 230000033001 locomotion Effects 0.000 description 6
- 239000000243 solution Substances 0.000 description 6
- 125000004429 atom Chemical group 0.000 description 5
- 239000006185 dispersion Substances 0.000 description 5
- 239000012535 impurity Substances 0.000 description 5
- 238000005259 measurement Methods 0.000 description 5
- 230000007246 mechanism Effects 0.000 description 5
- 241000283690 Bos taurus Species 0.000 description 4
- 230000005535 acoustic phonon Effects 0.000 description 4
- 230000009471 action Effects 0.000 description 4
- 238000001816 cooling Methods 0.000 description 4
- 229910052594 sapphire Inorganic materials 0.000 description 4
- 239000010980 sapphire Substances 0.000 description 4
- 238000001069 Raman spectroscopy Methods 0.000 description 3
- 238000004458 analytical method Methods 0.000 description 3
- 238000013459 approach Methods 0.000 description 3
- 230000004888 barrier function Effects 0.000 description 3
- 238000002474 experimental method Methods 0.000 description 3
- 239000000835 fiber Substances 0.000 description 3
- 230000005669 field effect Effects 0.000 description 3
- 230000004907 flux Effects 0.000 description 3
- 229910052732 germanium Inorganic materials 0.000 description 3
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 description 3
- 230000037230 mobility Effects 0.000 description 3
- 239000010453 quartz Substances 0.000 description 3
- 230000006798 recombination Effects 0.000 description 3
- 238000005215 recombination Methods 0.000 description 3
- VYPSYNLAJGMNEJ-UHFFFAOYSA-N silicon dioxide Inorganic materials O=[Si]=O VYPSYNLAJGMNEJ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 3
- 239000007787 solid Substances 0.000 description 3
- 230000005676 thermoelectric effect Effects 0.000 description 3
- 230000005678 Seebeck effect Effects 0.000 description 2
- 241001415849 Strigiformes Species 0.000 description 2
- 230000004913 activation Effects 0.000 description 2
- 229910052782 aluminium Inorganic materials 0.000 description 2
- XAGFODPZIPBFFR-UHFFFAOYSA-N aluminium Chemical compound [Al] XAGFODPZIPBFFR-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 230000008901 benefit Effects 0.000 description 2
- WUKWITHWXAAZEY-UHFFFAOYSA-L calcium difluoride Chemical compound [F-].[F-].[Ca+2] WUKWITHWXAAZEY-UHFFFAOYSA-L 0.000 description 2
- 239000000969 carrier Substances 0.000 description 2
- 230000005274 electronic transitions Effects 0.000 description 2
- 239000010436 fluorite Substances 0.000 description 2
- GNPVGFCGXDBREM-UHFFFAOYSA-N germanium atom Chemical compound [Ge] GNPVGFCGXDBREM-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 238000010438 heat treatment Methods 0.000 description 2
- 150000002739 metals Chemical class 0.000 description 2
- 230000003534 oscillatory effect Effects 0.000 description 2
- 125000004430 oxygen atom Chemical group O* 0.000 description 2
- 230000000704 physical effect Effects 0.000 description 2
- 230000035945 sensitivity Effects 0.000 description 2
- JBRZTFJDHDCESZ-UHFFFAOYSA-N AsGa Chemical compound [As]#[Ga] JBRZTFJDHDCESZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 229910001006 Constantan Inorganic materials 0.000 description 1
- 229910005540 GaP Inorganic materials 0.000 description 1
- GPXJNWSHGFTCBW-UHFFFAOYSA-N Indium phosphide Chemical compound [In]#P GPXJNWSHGFTCBW-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- NINIDFKCEFEMDL-UHFFFAOYSA-N Sulfur Chemical compound [S] NINIDFKCEFEMDL-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 238000000862 absorption spectrum Methods 0.000 description 1
- 238000005275 alloying Methods 0.000 description 1
- JNDMLEXHDPKVFC-UHFFFAOYSA-N aluminum;oxygen(2-);yttrium(3+) Chemical compound [O-2].[O-2].[O-2].[Al+3].[Y+3] JNDMLEXHDPKVFC-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 230000033228 biological regulation Effects 0.000 description 1
- 210000004958 brain cell Anatomy 0.000 description 1
- 238000004364 calculation method Methods 0.000 description 1
- 125000004432 carbon atom Chemical group C* 0.000 description 1
- 239000002041 carbon nanotube Substances 0.000 description 1
- 229910021393 carbon nanotube Inorganic materials 0.000 description 1
- 230000015556 catabolic process Effects 0.000 description 1
- 210000004027 cell Anatomy 0.000 description 1
- 239000002772 conduction electron Substances 0.000 description 1
- 230000003247 decreasing effect Effects 0.000 description 1
- 238000000151 deposition Methods 0.000 description 1
- 230000008021 deposition Effects 0.000 description 1
- 238000009795 derivation Methods 0.000 description 1
- 238000013461 design Methods 0.000 description 1
- 239000003989 dielectric material Substances 0.000 description 1
- 238000004870 electrical engineering Methods 0.000 description 1
- 230000005672 electromagnetic field Effects 0.000 description 1
- 238000010894 electron beam technology Methods 0.000 description 1
- 230000008030 elimination Effects 0.000 description 1
- 238000003379 elimination reaction Methods 0.000 description 1
- 238000005265 energy consumption Methods 0.000 description 1
- 238000011156 evaluation Methods 0.000 description 1
- 239000007789 gas Substances 0.000 description 1
- PCHJSUWPFVWCPO-UHFFFAOYSA-N gold Chemical compound [Au] PCHJSUWPFVWCPO-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 229910052737 gold Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000010931 gold Substances 0.000 description 1
- 230000036039 immunity Effects 0.000 description 1
- 238000002347 injection Methods 0.000 description 1
- 239000007924 injection Substances 0.000 description 1
- 230000016507 interphase Effects 0.000 description 1
- 238000004377 microelectronic Methods 0.000 description 1
- 239000012299 nitrogen atmosphere Substances 0.000 description 1
- 230000005693 optoelectronics Effects 0.000 description 1
- 239000002245 particle Substances 0.000 description 1
- 238000011160 research Methods 0.000 description 1
- 230000002441 reversible effect Effects 0.000 description 1
- 239000011343 solid material Substances 0.000 description 1
- 238000004544 sputter deposition Methods 0.000 description 1
- 229910052717 sulfur Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000011593 sulfur Substances 0.000 description 1
- 238000012360 testing method Methods 0.000 description 1
- 238000007751 thermal spraying Methods 0.000 description 1
- 239000010409 thin film Substances 0.000 description 1
- 230000005641 tunneling Effects 0.000 description 1
- 230000005533 two-dimensional electron gas Effects 0.000 description 1
- 238000001845 vibrational spectrum Methods 0.000 description 1
- 235000012431 wafers Nutrition 0.000 description 1
- 229910019901 yttrium aluminum garnet Inorganic materials 0.000 description 1
Images
Landscapes
- Plasma Technology (AREA)
- Electrodes Of Semiconductors (AREA)
Abstract
Description
Область техники, к которой относится изобретение.The technical field to which the invention relates.
Изобретение относится к электронике конденсированных материалов, к способам осуществления и применения термоэлектрического эффекта увлечения электронов (дырок) фононами при температурах Дебая фононов в твердотельных материалах и структурах между электродами. Оно может быть использовано в микроэлектронике, радиотехнике и электротехнике в качестве принципа действия твердотельных электронных и оптоэлектронных приборов с пониженным уровнем собственных шумов без охлаждения. Изобретение реализует новый физический механизм увлечения электронов фононами при дебаевых температурах фононов в твердотельных материалах и структурах между электродами. Оно основано на использовании собственных (Inherent, I-) колебаний и волн, источником которых являются электронно-колебательные центры (ЭКЦ), а именно на взаимодействии I-колебаний и волн с электронами, дырками и кристаллическими фононами в полупроводниковых материалах и структурах.The invention relates to the electronics of condensed materials, to methods for implementing and applying the thermoelectric effect of entrainment of electrons (holes) by phonons at Debye temperatures of phonons in solid materials and structures between electrodes. It can be used in microelectronics, radio engineering and electrical engineering as a principle of operation of solid-state electronic and optoelectronic devices with a reduced level of intrinsic noise without cooling. The invention implements a new physical mechanism for the drag of electrons by phonons at the Debye temperatures of phonons in solid-state materials and structures between electrodes. It is based on the use of intrinsic (Inherent, I-) vibrations and waves, the source of which is electron-vibrational centers (ECCs), namely, the interaction of I-vibrations and waves with electrons, holes and crystalline phonons in semiconductor materials and structures.
Теоретические основы современной твердотельной электроники включают общеизвестное адиабатическое приближение Борна-Оппенгеймера [1], обычно используемое при решении уравнения Шредингера для кристалла. В этом приближении исключают возможность обмена энергией между электронами и ядрами атомов в кристаллах. Очевидно, что адиабатический принцип Борна-Оппенгеймера ограничивает круг доступных для исследования и применения физических процессов в материалах. Действительно, П.Дирак впервые показал [2], что данный принцип, вообще говоря, не выполняется, а дальнейшие исследования [3] упрочили понимание ограниченности адиабатического подхода к проблеме твердых тел вообще и к твердотельной электронике в частности. В связи с этим существующую, доминирующую в науке и технике твердотельную (полупроводниковую) электронику можно обоснованно называть адиабатической электроникой. Эта электроника не дает ответа на многие вопросы о природе кристаллов и физических явлениях в них, например, таких как сверхпроводимость, гиперпроводимость, сверхтеплопроводность, что, в частности, связано с использованием адиабатического подхода и ограничивает применение кристаллов.The theoretical foundations of modern solid-state electronics include the well-known adiabatic Born – Oppenheimer approximation [1], which is usually used to solve the Schrödinger equation for a crystal. In this approximation, the possibility of energy exchange between electrons and atomic nuclei in crystals is excluded. Obviously, the adiabatic Born-Oppenheimer principle limits the range of physical processes available for research and application in materials. Indeed, P. Dirac first showed [2] that this principle, generally speaking, is not fulfilled, and further studies [3] strengthened the understanding of the limitations of the adiabatic approach to the problem of solids in general and to solid-state electronics in particular. In this regard, the existing solid-state (semiconductor) electronics, which dominates in science and technology, can reasonably be called adiabatic electronics. This electronics does not answer many questions about the nature of crystals and physical phenomena in them, for example, such as superconductivity, hyperconductivity, superconductivity, which, in particular, is associated with the use of the adiabatic approach and limits the use of crystals.
С другой стороны, заявленное изобретение основано на использовании принципиальной возможности обмена энергией между электронами и ядрами атомов в материалах. Такая электроника лежит за пределами адиабатического принципа (адиабатического приближения). Ее можно обоснованно называть неадиабатической твердотельной электроникой. К этой неадиабатической электронике относится заявленное изобретение и некоторые уже известные технические решения, в которых нарушения адиабатического принципа обеспечивают ЭКЦ. Эти центры в кристаллах создают канал обмена энергией между электронами и ядрами атомов, а технические решения, использующие такой энергетический обмен, представляют собой принципиально новую неадиабатическую твердотельную электронику.On the other hand, the claimed invention is based on using the fundamental possibility of energy exchange between electrons and atomic nuclei in materials. Such electronics lies beyond the adiabatic principle (adiabatic approximation). It can reasonably be called non-adiabatic solid-state electronics. This non-adiabatic electronics includes the claimed invention and some well-known technical solutions in which violations of the adiabatic principle provide ECC. These centers in crystals create a channel of energy exchange between electrons and atomic nuclei, and technical solutions using such energy exchange represent a fundamentally new non-adiabatic solid-state electronics.
Уровень техники.The prior art.
Эффект увлечения электронов фононами может проявляться при наличии градиента температуры в материале в виде дополнительного вклада в термоэдс (в эффект Зеебека). Он отличается от известного диффузионного (дрейфового) механизма тем, что увлечение электронов фононами возникает благодаря связи электронов с потоком фононов, благодаря увлечению электронов потоком фононов.The effect of electron drag by phonons can manifest itself in the presence of a temperature gradient in the material in the form of an additional contribution to the thermopower (to the Seebeck effect). It differs from the well-known diffusion (drift) mechanism in that the drag of electrons by phonons occurs due to the coupling of electrons to the flow of phonons, due to the drag of electrons to the flow of phonons.
Открытое в 1821 году явление дифференциальной термоэдс (эффект Зеебека) наблюдается при наличии градиента температуры в материалах и характеризуется коэффициентом термоэдс α=dE/dT, где Е - термоэдс и Т - температура. Это явление связывали с диффузией подвижных носителей зарядов, концентрации и подвижности которых определяют величину этой диффузионной (дрейфовой) термоэдс Ed. Коэффициент диффузионной (дрейфовой) термоэдс (αd) в невырожденных полупроводниковых материалах выражается следующей формулой:The phenomenon of differential thermoelectric power (Seebeck effect), discovered in 1821, is observed in the presence of a temperature gradient in materials and is characterized by the coefficient of thermoelectric power α = dE / dT, where E is the thermoelectric power and T is the temperature. This phenomenon was associated with the diffusion of mobile charge carriers, the concentration and mobility of which determine the value of this diffusion (drift) thermopower E d . The coefficient of diffusion (drift) thermoelectric power (α d ) in non-degenerate semiconductor materials is expressed by the following formula:
гдеWhere
n и p - концентрации, µn и µp - дрейфовые подвижности электронов и дырок, k - постоянная Больцмана, е - элементарный заряд, r - параметр рассеяния, Fn и Fp - квазиуровни Ферми электронов и дырок в невырожденном материале [4, 5].n and p are the concentrations, μ n and μ p are the drift mobilities of electrons and holes, k is the Boltzmann constant, e is the elementary charge, r is the scattering parameter, F n and F p are the Fermi quasilevels of electrons and holes in a non-degenerate material [4, 5].
Величина α равна потоку энтропии, приходящемуся на единичный электрический ток в термоэлектрической цепи [6].The value of α is equal to the entropy flux per unit electric current in the thermoelectric circuit [6].
Было установлено экспериментально, что термоэдс в монокристаллах германия увеличивается при понижении температуры от 200 К до 15 К [6-9], значительно превышает вычисленную с помощью формул (1, 2) величину и для ее описания необходимо привлечь дополнительный физический эффект [10], который получил название эффекта увлечения электронов фононами (УЭФ или Phonon drag).It was established experimentally that the thermoelectric power in germanium single crystals increases with decreasing temperature from 200 K to 15 K [6–9], significantly exceeds the value calculated using formulas (1, 2) and to describe it, it is necessary to use an additional physical effect [10], which is called the effect of electron drag by phonons (UEF or Phonon drag).
В 1945 г. Л.Гуревич впервые теоретически предсказал существование такого дополнительного к диффузионной термоэдс нового термоэлектрического эффекта (Eф), вызванного увлечением электронов потоком фононов в металлах [11] и отметил возможность его существования в полупроводниках. Г.Пикус в 1951 г. вывел формулу для коэффициента УЭФ в полупроводниках:In 1945, L. Gurevich first theoretically predicted the existence of such a new thermoelectric effect (E f ), additional to diffusion thermoelectric power, caused by the drag of electrons by the phonon flux in metals [11] and noted the possibility of its existence in semiconductors. G.Picus in 1951 derived a formula for the coefficient of electrical energy in semiconductors:
где m* - эффективная масса электрона и ν - скорость звука в материале, τф и τe - время релаксации фононов и электронов (сломанные скобки здесь обозначают усредненные величины), но пришел к выводу о якобы несущественной величине данного эффекта. Вывод формулы (3) можно найти в [4, 12]. Таким образом, термоэдс в материале является суммой диффузионной термоэдс и эффекта УЭФ: Е=Еd+Eф, а коэффициент термоэдс α=αd+αф.where m * is the effective mass of the electron and ν is the speed of sound in the material, τ f and τ e are the relaxation times of phonons and electrons (broken brackets here indicate average values), but came to the conclusion that the effect is supposedly insignificant. The derivation of formula (3) can be found in [4, 12]. Thus, the thermoelectric power in the material is the sum of the diffusion thermoelectric power and the UEF effect: E = E d + E f , and the thermoelectric coefficient α = α d + α f .
Аналогичная теория, учитывающая взаимодействие между фононами и электронами в материале, была успешно применена к анализу экспериментальной термоэдс в легированном Ge [13, 14]. Оказалось, что вклад эффекта увлечения электронов фононами в термоэдс представляет собой полосу, в которой Eф достигает максимума, расположенного между 15 К и 30 К. Эта полоса может быть предсказана по данным о теплопроводности материала [14], но сама теплопроводность почти не зависит от увлечения электронов фононами [11]. Именно данная полоса получила интерпретацию как эффект увлечения электронов фононами (УЭФ), вызванный потоком только тех фононов, которые связаны с электронами. Соответствующее формуле (3) уменьшение УЭФ при повышении температуры выше 30 К дало основание полагать, что УЭФ существует только при низких температурах [15]. Однако, термоэдс в связках углеродных нанотрубок в диапазоне от 4.2 К до 300 К, измеренная в лаборатории Нобелевского лауреата Р.Е.Смолли, предположительно была объяснена именно эффектом УЭФ [16], что возможно при сильной электрон-фононной связи.A similar theory that takes into account the interaction between phonons and electrons in a material has been successfully applied to the analysis of experimental thermopower in doped Ge [13, 14]. It turned out that the contribution of the effect of electron drag by phonons to the thermopower is a band in which E f reaches a maximum located between 15 K and 30 K. This band can be predicted from the data on the thermal conductivity of the material [14], but the thermal conductivity itself is almost independent of entrainment of electrons by phonons [11]. It was this band that was interpreted as the effect of electron drag by phonons (UEF), caused by the flow of only those phonons that are associated with electrons. The decrease in UEF corresponding to formula (3) with an increase in temperature above 30 K suggests that UEF exists only at low temperatures [15]. However, the thermoelectric power in bundles of carbon nanotubes in the range from 4.2 K to 300 K, measured in the laboratory of Nobel laureate R. E. Smalley, was presumably explained by the UEF effect [16], which is possible with strong electron-phonon coupling.
Эффективную связь электронов с фононами могут обеспечить введенные в материал электронно-колебательные центры (ЭКЦ). Электронные переходы внутри ЭКЦ или переходы извне на энергетические уровни ЭКЦ сопряжены с участием значительного числа фононов, а равновесные положения и частоты колебаний ЭКЦ зависят от их электронного состояния и могут изменяться при электронно-колебательных переходах. Именно поэтому такие центры и электронные переходы получили название электронно-колебательных центров и электронно-колебательных переходов соответственно. Мерой связи электронов с фононами на ЭКЦ является константа электрон-фононной связи S, имеющая смысл среднего числа участвующих в электронно-колебательном переходе фононов. Для ЭКЦ она может достигать 150, а экспериментальные значения S в некоторых образцах превышают 22 [17-19], хотя при отсутствии ЭКЦ величина S<<1 [20].An effective coupling of electrons with phonons can be provided by electron-vibrational centers (ECCs) introduced into the material. Electronic transitions inside the ECC or external transitions to the energy levels of the ECC are associated with a significant number of phonons, and the equilibrium positions and vibration frequencies of the ECC depend on their electronic state and can change during electronic-vibrational transitions. That is why such centers and electronic transitions are called electron-vibrational centers and electron-vibrational transitions, respectively. A measure of the coupling of electrons with phonons at an ECC is the electron-phonon coupling constant S, which has the meaning of the average number of phonons involved in the electronic-vibrational transition. For ECC, it can reach 150, and the experimental S values in some samples exceed 22 [17-19], although in the absence of ECC the value S << 1 [20].
Вероятность электронно-колебательного перехода зависит от числа (p) поглощаемых или испускаемых фононов [17-19]. Если важны фононы одной частоты, то спектры переходов состоят из дискретных линий, соответствующих участию р=0, 1, 2, … фононов, а энергии соседних линий различаются на энергию фонона. Наибольшая вероятность переходов соответствует p≅S, из-за чего возникает (стоксово) смещение максимума спектра на S энергий фонона относительно энергии бесфононного перехода (соответствующего р=0) на один из энергетических уровней собственных колебаний ЭКЦ. Если в электронно-колебательном переходе кроме фононов одной частоты участвуют более 3% фононов других частот, то линии спектра уширяются. Если же в электронно-колебательных переходах участвуют фононы различных типов и частот, то спектр превращается в сплошную полосу, расположенную между энергиями α-, β-, γ-типов собственных (Inherent, I-) колебаний, представляющих собой упругие колебания ядер атомов (α-тип), ядер совместно с K-электронами (β-тип) или ядер атомов совместно с K- и L-электронами (γ-тип) относительно остальной части электронной оболочки или, что одно и то же, относительно центра масс кристалла [21-23]. Собственные колебания в атомах основного вещества возможны при наличии ЭКЦ. При этом обеспечивается сильное электрон-фононное взаимодействие в материале.The probability of an electronic-vibrational transition depends on the number (p) of phonons absorbed or emitted [17-19]. If phonons of the same frequency are important, then the transition spectra consist of discrete lines corresponding to the participation of p = 0, 1, 2, ... phonons, and the energies of neighboring lines differ by the phonon energy. The highest probability of transitions corresponds to p≅S, which causes a (Stokes) shift of the spectrum maximum by S phonon energies relative to the phononless transition energy (corresponding to p = 0) to one of the energy levels of the ECC natural vibrations. If, in addition to phonons of one frequency, more than 3% of phonons of other frequencies participate in the electronic-vibrational transition, then the lines of the spectrum are broadened. If phonons of various types and frequencies participate in electronic-vibrational transitions, the spectrum turns into a continuous band located between the energies of the α, β, and γ types of intrinsic (Inherent, I-) vibrations, which are elastic vibrations of atomic nuclei (α -type), nuclei together with K-electrons (β-type) or nuclei of atoms together with K- and L-electrons (γ-type) relative to the rest of the electron shell or, which is the same thing, relative to the center of mass of the crystal [21 -23]. Natural vibrations in the atoms of the basic substance are possible in the presence of ECC. This ensures a strong electron-phonon interaction in the material.
Введение ЭКЦ в материалы оказывает значительное влияние на их физические свойства благодаря сильной электрон-фононной связи. Например, связанная с ЭКЦ фотопроводимость является отрицательной. В присутствии ЭКЦ подвижные электроны и дырки локализуются на центрах, их дрейфовые подвижности и описываемая формулами (1, 2) диффузионная термоэдс уменьшаются или практически становятся нулевыми, а эффект УЭФ, обусловленный электронно-колебательными переходами между ЭКЦ, получает возможность доминировать.The introduction of ECC into materials has a significant effect on their physical properties due to the strong electron-phonon coupling. For example, photoconductivity associated with ECC is negative. In the presence of an ECC, mobile electrons and holes are localized at the centers, their drift mobilities and the diffusion thermoelectric power described by formulas (1, 2) decrease or practically become zero, and the UEF effect due to electron-vibrational transitions between the ECC becomes possible to dominate.
Теория [17-19] описывает как излучательные, так и важные для УЭФ безызлучательные электронно-колебательные переходы (происходящие без участия фононов), вызванные упругими колебаниями кристалла с частотой ω. Эта теория применима и для переходов между ЭКЦ, поскольку в каждом материале центры подобны друг другу и неразличимы. Скорость безызлучательных переходов центра υ(ω) из состояния а в состояние b достигает максимума на частоте , где ωj - частота фононов типа j, участвующих в переходе, и согласно [11] выражается следующей формулой:The theory [17-19] describes both radiative and non-radiative electron-vibrational transitions (occurring without the participation of phonons), which are important for UEF, caused by elastic vibrations of the crystal with frequency ω. This theory is also applicable for transitions between ECCs, since in each material the centers are similar to each other and indistinguishable. The rate of nonradiative transitions of the center υ (ω) from state a to state b reaches a maximum at a frequency , where ω j is the frequency of phonons of type j participating in the transition, and according to [11] it is expressed by the following formula:
где υm - максимальное значение υ(ω),where υ m is the maximum value of υ (ω),
(qja-qjb) - изменение равновесных координат центра, - среднее значение колебательного (квантового) числа. Вблизи максимума функции (4) величина (ω-ωm) мала, степенной ряд в показателе экспоненты сходится быстро и можно ограничиться первым квадратичным членом ряда. (q ja -q jb ) - change in the equilibrium coordinates of the center, - the average value of the vibrational (quantum) number. Near the maximum of function (4), the quantity (ω-ω m ) is small, the power series in the exponent converges quickly, and we can restrict ourselves to the first quadratic term of the series.
П.Дебай в 1912 г. ввел в рассмотрение температуры где - постоянная Планка, ωl - максимальная частота колебаний кристалла, индекс l обозначает тип колебаний. По этому правилу стали вводить температуры Дебая для акустических (А), оптических (О), продольных (L) и поперечных (Т) колебаний кристаллических решеток и для квантов таких колебаний - фононов [4, 5]. Температуры Дебая удобны для описания взаимодействия фононов с локальными (примесными) центрами и мы воспользуемся этими температурами. Определив по правилу Дебая температуру материала , температуру материала при максимальной скорости переходов , а также температуру , полагая, что величина эффекта УЭФ пропорциональна скорости переходов υ(ω) и учитывая только первый член ряда в показателе экспоненты в (4), то можно записать температурную зависимость коэффициента αф в виде функции Гаусса:P. Debye introduced temperature in 1912 Where is the Planck constant, ω l is the maximum frequency of oscillations of the crystal, the index l denotes the type of oscillations. According to this rule, they began to introduce Debye temperatures for acoustic (A), optical (O), longitudinal (L) and transverse (T) vibrations of crystal lattices, and for quanta of such vibrations — phonons [4, 5]. Debye temperatures are convenient for describing the interaction of phonons with local (impurity) centers, and we will use these temperatures. Determining the material temperature according to the Debye rule , material temperature at maximum transition rate as well as temperature , assuming that the magnitude of the UEF effect is proportional to the transition rate υ (ω) and taking into account only the first term of the series in the exponent in (4), we can write the temperature dependence of the coefficient α f in the form of a Gaussian function:
где const - независящая от температуры величина. Функция αф(Т) достигает максимума при температуре Tm и симметрична относительно Тm. Если учесть два первых члена ряда в (4), то αф(T) может стать асимметричной. Функцию (5) мы использовали для аппроксимации полос эффекта УЭФ в температурных зависимостях термоэдс экспериментальных образцов материалов и структур.where const is a temperature-independent quantity. The function α f (T) reaches a maximum at a temperature T m and is symmetrical with respect to T m . If we take into account the first two terms of the series in (4), then α f (T) can become asymmetric. We used function (5) to approximate the bands of the UEF effect in the temperature dependences of the thermopower of experimental samples of materials and structures.
Для изучения температурных зависимостей термоэдс мы использовали образцы различных материалов и структур толщиной около 200 мкм и площадью 14×8 мм2, содержащие ЭКЦ с S>1. Значения S были определены из анализа электронно-колебательных ИК-спектров поглощения, отражения или фотопроводимости образцов. ЭКЦ вводили в исследуемые материалы различными способами. Так, образцы Si, InSb, InAs и слои таких материалов толщиной от 2 до 60 мкм с концентрациями электронов проводимости от 6·1012 см-3 до 1,68·1015 см-3 на подложках из полуизолирующего GaAs облучали потоком электронов ~1018 см-2 с энергией 1 мэВ. По данным вольт-фарадных измерений концентрация ЭКЦ в различных образцах была в пределах от 1014 см-3 до 1016 см-3. Образцы становились частично компенсированными после облучения их быстрыми электронами, что объясняется введением в материалы ЭКЦ, которые были образованы преимущественно примесными атомами кислорода. Образцы GaP с концентрацией примесей алюминия или серы около 1015 см-3 подвергали термообработке для активации ЭКЦ, которые были образованы этими примесными атомами. Были также исследованы высокоориентированные монокристаллы пиролитического графита, эпитаксиальные слои кремния толщиной 0,4 мкм на сапфировых подложках, а также углеродные нанотрубные пленки толщиной примерно 0,1 мкм с поверхностным сопротивлением около 103 Ом/□ на подложках из кварца, флюорита и иттрий алюминиевого граната (YAIG), изготовленные распылением графита электронным пучком в вакууме. Согласно данным о спектрах ИК-отражения и энергиях активации удельного сопротивления ЭКЦ в графите и углеродных нанотрубных пленках были образованы атомами углерода [21-23].To study the temperature dependences of the thermopower, we used samples of various materials and structures with a thickness of about 200 μm and an area of 14 × 8 mm 2 containing ECC with S> 1. S values were determined from an analysis of the electron-vibrational IR absorption, reflection, or photoconductivity spectra of the samples. ECC was introduced into the test materials in various ways. So, samples of Si, InSb, InAs and layers of such materials with a thickness of 2 to 60 μm with concentrations of conduction electrons from 6 · 10 12 cm -3 to 1.68 · 10 15 cm -3 on substrates of semi-insulating GaAs were irradiated with an electron flux of ~ 10 18 cm -2 with an energy of 1 meV. According to the capacitance-voltage measurements, the ECC concentration in various samples ranged from 10 14 cm -3 to 10 16 cm -3 . Samples became partially compensated after irradiation with fast electrons, which is explained by the introduction of ECC into materials, which were formed mainly by impurity oxygen atoms. GaP samples with a concentration of aluminum or sulfur impurities of about 10 15 cm –3 were subjected to heat treatment to activate ECC, which were formed by these impurity atoms. Highly oriented single crystals of pyrolytic graphite, epitaxial silicon layers 0.4 microns thick on sapphire substrates, and carbon nanotube films with a thickness of about 0.1 microns with a surface resistance of about 10 3 Ohm / □ on quartz, fluorite, and yttrium aluminum garnet substrates were also investigated. (YAIG) made by sputtering graphite by an electron beam in a vacuum. According to the data on IR reflection spectra and activation energies of resistivity, ECCs in graphite and carbon nanotube films were formed by carbon atoms [21–23].
Температурные зависимости термоэдс измеряли традиционным способом. Схема включения образца показана на вставке фиг.1, слева. Выпрямляющие контакты к образцам создавали с помощью электродов 1 и 2, которые наносили на поверхность материала термическим распылением золота или алюминия в вакууме. В обоих случаях получали совпадающие результаты измерений. Исследуемые образцы мы помещали в вакуумный криостат или в термостат с атмосферой азота при нормальном давлении. Между электродами образца создавали разность температур . Температуры измеряли с помощью термопар медь-константан с точностью 0,2 К. Температуру образца T=(T2+T1)/2 изменяли монотонно в течение 2-3 часов в криостате от 15 К, а в термостате - от 77 К до сотен градусов по шкале Кельвина. Величину термоэдс (Е) измеряли между контактами 1 и 2 с точностью 1 мкВ. Зависимость α(Т) измеряли "по точкам", вычисляя значение коэффициента термоэдс (УЭФ) при разных температурах образца, заменяя дифференциалы dE и dT конечными приращениями этих величин: α(T)=dE/dT=Е/(Т2-Т1). Зависимость α(Т) вблизи ее экстремумов аппроксимировали функцией (5).The temperature dependences of the thermopower were measured in the traditional way. The sample inclusion circuit is shown in the inset of FIG. Rectifying contacts to the samples were created using
На фиг.1 представлена типичная температурная зависимость термоэдс в содержащих ЭКЦ монокристаллах кремния, имеющая сравнительно узкие полосы со сложными контурами. Было замечено, что экстремумы полос В, С и D расположены при температурах Дебая акустических и оптических фононов, определенных из данных о фононах кремния [24]. Учитывая этот факт и полярности полос, полосы В и С были объяснены эффектом увлечения электронов акустическими, а полоса D - эффектом увлечения дырок оптическими фононами [25, 26].Figure 1 shows a typical temperature dependence of the thermoelectric power in silicon monocrystals containing ECC, which has relatively narrow bands with complex contours. It was noted that the extrema of the B, C, and D bands are located at the Debye temperatures of acoustic and optical phonons determined from data on silicon phonons [24]. Considering this fact and the polarities of the bands, bands B and C were explained by the effect of electron drag by acoustic ones, and band D by the effect of hole drag by optical phonons [25, 26].
Типичные температурные зависимости термоэдс в монокристаллах InAs представлены на фиг.2, а в GaP - на вставке фиг.2, слева, и содержат ряд полос [27]. Температуры в максимумах полос в GaP и полос G, Н, I, К в InAs совпадают с температурами Дебая различных фононов. В отдельных образцах InAs наблюдается слабая полоса вблизи температуры 424 К, совпадающей с суммой дебаевых температур двух LA фононов. В образцах InSb кроме полос при дебаевых температурах различных LA и LO фононов имеются полосы при температурах 134 К и 430 К, которые равны суммам температур Дебая двух фононов (2ТА и 2ТО). Typical temperature dependences of the thermoelectric power in InAs single crystals are presented in Fig. 2, and in GaP, in the inset of Fig. 2, on the left, and contain a number of bands [27]. The temperatures at the maxima of the bands in GaP and the bands G, H, I, K in InAs coincide with the Debye temperatures of various phonons. In individual InAs samples, a weak band is observed near a temperature of 424 K, which coincides with the sum of the Debye temperatures of two LA phonons. InSb samples, in addition to bands at the Debye temperatures of various LA and LO phonons, there are bands at temperatures of 134 K and 430 K, which are equal to the sum of the Debye temperatures of two phonons (2TA and 2TO).
Полоса А в Si (см. фиг.1), имеющая максимум вблизи 55 К, а также полоса F в InAs (см. фиг.2) с максимумом при 45 К более всего соответствуют интерпретации как эффект УЭФ. Однако, в этих бездефектных материалах нет фононов с такими температурами Дебая. Такие фононы могут возникнуть в результате введения ЭКЦ в материалы. Действительно, дисперсионные ветви акустических фононов под влиянием собственных колебаний ядер атомов в материале существенно изменяются [21, 25]. Для одномерной модели кристалла эти изменения качественно показаны на вставке фиг.2, справа. Коэффициент δ описывает взаимодействие между акустическими (А) и собственными (I) колебаниями. При δ<0 возникает высокая плотность фононных состояний с малыми значениями волнового вектора, а дебаевы температуры этих фононов могут достигать нескольких десятков градусов. Такие низкочастотные фононы, видимо, способны создавать наблюдаемые на опыте низкотемпературные полосы УЭФ (например, полосы А и F).Band A in Si (see Fig. 1), which has a maximum near 55 K, as well as the F band in InAs (see Fig. 2) with a maximum at 45 K, are most consistent with the interpretation as the UEF effect. However, in these defect-free materials there are no phonons with such Debye temperatures. Such phonons can arise as a result of the introduction of ECC into materials. Indeed, the dispersion branches of acoustic phonons under the influence of natural vibrations of atomic nuclei in a material change significantly [21, 25]. For a one-dimensional crystal model, these changes are qualitatively shown in the inset of Fig. 2, to the right. Coefficient δ describes the interaction between acoustic (A) and intrinsic (I) vibrations. For δ <0, a high density of phonon states with small values of the wave vector appears, and the Debye temperatures of these phonons can reach several tens of degrees. Such low-frequency phonons are apparently capable of creating experimentally observed low-temperature UEF bands (for example, bands A and F).
На фиг.3 приведена характерная температурная зависимость термоэдс монокристалла графита, измеренная вдоль нормали к атомным плоскостям графитового "паркета". Она содержит полосы с максимумами при температурах Дебая LO фононов и, по-видимому, при температуре Дебая двух (LO+LO) фононов, энергии которых определенны из дисперсионных ветвей фононов графита [28].Figure 3 shows the characteristic temperature dependence of the thermopower of a single crystal of graphite, measured along the normal to the atomic planes of the graphite "parquet". It contains bands with maxima at the Debye temperatures of LO phonons and, apparently, at the Debye temperature of two (LO + LO) phonons whose energies are determined from the dispersion phonon branches of graphite [28].
В тонких эпитаксиальных слоях материалов на подложках также наблюдаются полосы термоэдс, однако они расположены при дебаевых температурах фононов подложки. Температуры максимумов полос М, N и О в слое InAs на GaAs подложке (см. фиг.4) не совпадают с дебаевыми температурами фононов в InAs, а расположены при дебаевых температурах LA, LO и ТО фононов в GaAs. На вставке фиг.4 приведена характерная температурная зависимость термоэдс в слое InSb на GaAs подложке. Эта зависимость имеет полосы с максимумами при температурах Дебая фононов в GaAs подложке или при температурах 383 К, 440 К, 486 К и 523 К, которые равны суммам дебаевых температур пар ТО, LO и LA фононов в GaAs или пар аналогичных фононов в InSb.In thin epitaxial layers of materials on substrates, thermoelectric bands are also observed, however, they are located at the Debye temperatures of the phonons of the substrate. The maximum temperatures of the M, N, and O bands in the InAs layer on the GaAs substrate (see Fig. 4) do not coincide with the Debye temperatures of phonons in InAs, but are located at the Debye temperatures of LA, LO, and TO phonons in GaAs. The inset of Fig. 4 shows the characteristic temperature dependence of the thermopower in the InSb layer on a GaAs substrate. This dependence has bands with maxima at the Debye temperatures of phonons in a GaAs substrate or at temperatures of 383 K, 440 K, 486 K, and 523 K, which are equal to the sum of the Debye temperatures of TO, LO, and LA phonon pairs in GaAs or pairs of similar phonons in InSb.
На фиг.5 и на вставке фиг.5 приведены типичные температурные зависимости термоэдс в слое кремния на сапфировой подложке и в углеродной нанотрубной пленке на кварцевой подложке, имеющие полосы УЭФ, максимумы которых лежат при температурах Дебая фононов подложек.Fig. 5 and the inset of Fig. 5 show typical temperature dependences of the thermoelectric power in a silicon layer on a sapphire substrate and in a carbon nanotube film on a quartz substrate, having UEF bands whose maxima lie at the Debye temperature of the phonons of the substrates.
Узкие полосы УЭФ наблюдаются только в содержащих ЭКЦ материалах. Они расположены при температурах Дебая фононов, поэтому несомненно вызваны электронно-колебательными переходами между ЭКЦ и определенно представляют собой эффект УЭФ. Мы аппроксимировали контуры полос зависимостью (5), используя измеренные нами значения Тm и подбирая величины θ и const.Narrow UEF bands are observed only in materials containing ECC. They are located at the Debye temperature of phonons; therefore, they are undoubtedly caused by electron-vibrational transitions between ECCs and definitely represent the UEF effect. We approximated the contours of the bands by dependence (5), using the values of T m measured by us and choosing the values of θ and const.
Температура Тm имеет смысл стоксова смещения максимума полосы УЭФ на температуру Дебая одного (р=1) или на сумму температур Дебая нескольких (p>1) фононов относительно бесфононного перехода (р=0, Тm=0 К). Наиболее интенсивную полосу согласно теории нужно ожидать при температуре, совпадающей с суммой температур Дебая p≅S фононов. Однако в экспериментах наблюдаются температуры Тm, равные дебаевым температурам одного (р=1) или суммам дебаевых температур пары фононов (р=2), хотя константа электрон-фононного взаимодействия на ЭКЦ в Si может достигать значений S≥5, в InSb - S≥3, в GaP - S≥4, в графите и углеродных нанотрубных пленках на подложках - S>10. Этот результат можно объяснить известным уменьшением величины S до значений близких к 1 за счет усиления взаимодействия между ЭКЦ при сближении центров друг с другом по мере увеличения их концентрации (выше 1016 см-3). Такое уменьшение S объясняет отсутствие полос эффекта УЭФ с участием трех и более фононов (p>2) при высоких концентрациях ЭКЦ.The temperature T m has the meaning of the Stokes shift of the maximum of the UEF band by the Debye temperature of one (p = 1) or by the sum of the Debye temperatures of several (p> 1) phonons relative to the phononless transition (p = 0, T m = 0 K). According to the theory, the most intense band should be expected at a temperature coinciding with the sum of Debye temperatures p≅S phonons. However, in the experiments, temperatures T m equal to the Debye temperatures of one (p = 1) or the sums of Debye temperatures of a pair of phonons (p = 2) are observed, although the electron – phonon interaction constant on the ECC in Si can reach S≥5, in InSb - S ≥3, in GaP - S≥4, in graphite and carbon nanotube films on substrates - S> 10. This result can be explained by the well-known decrease in S to values close to 1 due to the enhanced interaction between the ECCs when the centers approach each other as their concentration increases (above 10 16 cm -3 ). Such a decrease in S explains the absence of UEF effect bands with the participation of three or more phonons (p> 2) at high ECC concentrations.
Температура θ является дисперсией функции Гаусса (5). Она имеет смысл полуширины полосы эффекта УЭФ на ее полувысоте и представляет особенности электронно-колебательных переходов в конкретном материале. Наиболее точная аппроксимация полос УЭФ функцией (5) достигается, если температура θ имеет одно определенное значение для всех полос УЭФ в материале. Так, значение θ=5,8 К было определено для полос УЭФ в Si. При этом выяснилось, что полоса С на фиг.1 является наложением трех гауссовых полос с температурами Тm, соответствующими дебаевым температурам различных LA фононов. Каждая из полос В и D состоит из двух гауссовых полос с температурами Тm, соответствующими дебаевым температурам ТА, LA и LO фононов. Полоса L в графите (см. фиг.3) состоит из трех гауссовых полос с температурами Тm, расположенными при дебаевых температурах различных LO фононов со значением θ=5 К. Полосы в InAs и в InSb имеют полуширину θ=4 К, в графите θ=5 К.The temperature θ is the dispersion of the Gauss function (5). It has the meaning of the half-width of the UEF effect band at its half-height and represents the features of electron-vibrational transitions in a particular material. The most accurate approximation of the UEF bands by function (5) is achieved if the temperature θ has one specific value for all the UEF bands in the material. So, the value θ = 5.8 K was determined for the UEF bands in Si. It turned out that the band C in FIG. 1 is an overlap of three Gaussian bands with temperatures T m corresponding to the Debye temperatures of various LA phonons. Each of bands B and D consists of two Gaussian bands with temperatures T m corresponding to Debye temperatures of TA, LA, and LO phonons. The L band in graphite (see Fig. 3) consists of three Gaussian bands with temperatures T m located at the Debye temperatures of various LO phonons with the value θ = 5 K. The bands in InAs and InSb have a half width θ = 4 K, in graphite θ = 5 K.
В слоях InAs на GaAs подложках полосы УЭФ имеют характерное для InAs значение θ=4 К. Профиль полосы М в слое InAs (см. фиг.4) состоит из двух гауссовых кривых с θ=5 К. Каждая из полос N и О является суммой полос с θ=4 К и 25 К, θ=4 К и 20К. Наличие гауссовых компонент некоторых полос с температурами θ>10 К в узкозонных материалах, таких как графит, InAs и InSb, можно предположительно объяснить частичным вкладом диффузионной термоэдс. Температуры θ имеют характерные для каждого материала значения, приведеные в Таблице 1.The UEF bands in InAs layers on GaAs substrates are characteristic of InAs θ = 4 K. The profile of the M band in the InAs layer (see Fig. 4) consists of two Gaussian curves with θ = 5 K. Each of the N and O bands is the sum bands with θ = 4 K and 25 K, θ = 4 K and 20K. The presence of the Gaussian components of some bands with temperatures θ> 10 K in narrow-gap materials, such as graphite, InAs, and InSb, can be presumably explained by the partial contribution of the diffusion thermoelectric power. Temperatures θ have the characteristic values for each material shown in Table 1.
Значения температур θ в монокристаллах и монокристаллических слоях материалов на полуизолирующих или диэлектрических подложкахTable 1
The temperatures θ in single crystals and single crystal layers of materials on semi-insulating or dielectric substrates
Из таблицы 1 видно, что температуры θ для монокристаллов совпадают с соответствующими температурами для слоев этих же материалов на подложках (за исключением субмикронных слоев Si на сапфире). Величины θ одинаковы для всех полос УЭФ в каждом материале [29] и отражают свойства внутрикристаллических процессов, которые не зависят от внешних условий. По-видимому, это - осциллирующие процессы обмена энергией между системами электронов и ядер атомов в кристалле, которые происходят даже в бездефектных материалах, что показано теоретически на примере монокристалла Si [30].Table 1 shows that the temperatures θ for single crystals coincide with the corresponding temperatures for layers of the same materials on substrates (with the exception of submicron Si layers on sapphire). The values of θ are the same for all UEF bands in each material [29] and reflect the properties of intracrystalline processes, which are independent of external conditions. Apparently, these are oscillatory processes of energy exchange between systems of electrons and atomic nuclei in a crystal that occur even in defect-free materials, which was shown theoretically using the example of a Si single crystal [30].
Таким образом, установлено, что в каждом содержащем ЭКЦ материале температурные зависимости термоэдс имеют узкие полосы УЭФ с гауссовым профилем и одинаковой шириной, расположенные при температурах Дебая фононов материала, а в слоях материала на подложке - при температурах Дебая фононов подложки. Эти полосы вызваны электронно-колебательными переходами между ЭКЦ и представляют собой эффект увлечения электронов фононами. Полученные результаты важны потому, что ранее эффект УЭФ наблюдали только при низких температурах в виде полосы с максимумом между 15 К и 39 К и только в монокристаллах германия. Новые данные об эффекте УЭФ в различных материалах при температурах Дебая фононов открывают возможности применения этого технического эффекта без охлаждения материалов.Thus, it has been established that in each ECC-containing material the temperature dependences of the thermoelectric power have narrow UEF bands with a Gaussian profile and the same width, located at the Debye temperature of the phonons of the material, and in the layers of the material on the substrate, at the Debye temperatures of the phonons of the substrate. These bands are caused by electron-vibrational transitions between the ECCs and represent the effect of electron drag by phonons. The results obtained are important because previously the UEF effect was observed only at low temperatures in the form of a band with a maximum between 15 K and 39 K and only in germanium single crystals. New data on the UEF effect in various materials at Debye phonon temperatures open up the possibility of applying this technical effect without cooling the materials.
Аналогами заявленного изобретения являются известные способы осуществления (создания) термоэдс. В аналогах изобретения обычно используют полупроводниковый или металлический твердотельный материал с электродами, образующими электрические невыпрямляющие контакты к материалу, создают между контактами разность температур не более 1 К … 2 К, измеряют термоэдс, возникающую в материале между контактами [4, 5].Analogs of the claimed invention are known methods of implementation (creation) of thermoelectric power. In analogs of the invention, a semiconductor or metal solid-state material is usually used with electrodes forming electrical non-rectifying contacts to the material, create a temperature difference between the contacts of no more than 1 K ... 2 K, and measure the thermoelectric power arising in the material between the contacts [4, 5].
Известен также способ, раскрытый в работах [13,14], в котором используют полупроводниковый монокристалл Ge, размещают на его поверхности электроды, образующие невыпрямляющие контакты к материалу, создают между электродами разность температур величиной ≈1 К, нагревают материал от температуры ниже 30 К и измеряют температурную зависимость термоэдс, возникающей между электродами. Эта термоэдс в основном представляет собой эффект увлечения электронов фононами (при температурах не выше 70 К).There is also a method disclosed in [13,14], in which a semiconductor Ge single crystal is used, electrodes are placed on its surface that form non-rectifying contacts to the material, create a temperature difference of ≈1 K between the electrodes, the material is heated from a temperature below 30 K and measure the temperature dependence of the thermoelectric power arising between the electrodes. This thermopower mainly represents the effect of electron drag by phonons (at temperatures no higher than 70 K).
Аналоги изобретения не позволяют осуществить эффект увлечения электронов фононами при температурах выше 70 К и тем более при температурах Дебая фононов, которые обычно превышают 200 К, а в некоторых материалах они достигают 800 К … 1000 К.Analogs of the invention do not allow the effect of electron entrainment by phonons at temperatures above 70 K, and even more so at Debye temperatures of phonons, which usually exceed 200 K, and in some materials they reach 800 K ... 1000 K.
В качестве прототипа можно указать способ, раскрытый в публикации: В.А.Вдовенков, "Увлечение электронов фононами, обусловленное электронно-колебательными переходами в материалах", Известия ВУЗов, Материалы электронной техники, 2005, №1, с.65-70. В известном способе использованы образцы полупроводниковых материалов или слои таких материалов толщиной до 50 мкм на полуизолирующих или диэлектрических подложках с электродами. В образцы были введены электронно-колебательные центры (ЭКЦ). Между электродами образца создавали разность температур и измеряли термоэдс. Однако в известном способе не раскрыты все условия, необходимые для осуществления эффекта увлечения электронов фононами при околокомнатных и более высоких температурах (по существу, при дебаевых температурах кристаллических фононов).As a prototype, you can specify the method disclosed in the publication: V. A. Vdovenkov, "The drag of electrons by phonons due to electronic-vibrational transitions in materials", Izvestiya VUZov, Materials of electronic technology, 2005, No. 1, pp. 65-70. In the known method, samples of semiconductor materials or layers of such materials with a thickness of up to 50 μm on semi-insulating or dielectric substrates with electrodes are used. Electron-vibrational centers (ECCs) were introduced into the samples. A temperature difference was created between the sample electrodes and the thermopower was measured. However, the known method does not disclose all the conditions necessary for the effect of electron entrainment by phonons at near-room and higher temperatures (essentially, at Debye temperatures of crystalline phonons).
Сущность изобретения.SUMMARY OF THE INVENTION
Целью данного изобретения является создание способа осуществления технического эффекта увлечения электронов фононами при околокомнатных и более высоких температурах (по существу, при дебаевых температурах кристаллических фононов) в полупроводниковых твердотельных материалах и структурах между электродами, а также способов регулирования величины этого эффекта.The aim of this invention is to provide a method for implementing the technical effect of electron entrainment by phonons at near-room and higher temperatures (essentially, at the debye temperatures of crystalline phonons) in semiconductor solid-state materials and structures between electrodes, as well as methods for controlling the magnitude of this effect.
Такие способы могут быть пригодны для создания новых твердотельных электронных приборов с пониженным уровнем собственных шумов без охлаждения приборов.Such methods may be suitable for creating new solid-state electronic devices with a reduced level of intrinsic noise without cooling the devices.
Важной является и задача создания электрических контактов к материалу, не препятствующих существованию и измерению термоэдс и позволяющих пропускать через материал определенный ток или изменять электрический потенциал материала в приборах и устройствах.An important task is the creation of electrical contacts to the material, which do not impede the existence and measurement of the thermoelectric power and allow a certain current to pass through the material or change the electric potential of the material in devices and devices.
Важной также является задача создания и регулирования разности температур в материале с помощью увлечения электронов фононами на основе использования межцентровых электронно-колебательных переходов.Also important is the task of creating and controlling the temperature difference in the material by dragging electrons by phonons based on the use of intercenter electron-vibrational transitions.
Согласно пункту 1 формулы изобретения с целью осуществления эффекта увлечения электронов фононами (УЭФ) в полупроводниковых материалах или в слоях таких материалов толщиной до 50 мкм на полуизолирующих или диэлектрических подложках на поверхности или в объеме материала размещают электроды, образующие выпрямляющие контакты с материалом, например контакты Шоттки, выбирают расстояние между электродами (D) значительно меньше глубины проникновения в материал электрического поля (L), (D<<L), вызванного контактной разностью потенциалов, минимальное расстояние между электродами DMIN=20 мкм, максимальное расстояние между электродами DMAX=300 мкм, до, после или во время размещения электродов или до, после или во время создания зазора шириной D между электродами в материал вводят электронно-колебательные центры (ЭКЦ) в концентрации (N) от 2·1012 см-3 до 3·1017 см-3, доводят температуру материала до температуры Дебая фононов материала, а в слое материала на подложке ее доводят до температуры Дебая фононов подложки, между электродами создают разность температур ΔT=(T2-T1), такую, чтобы большая из температур T1 и Т2 не достигала температуры плавления электродов, материала или подложки, а меньшая из этих температур должна быть меньше Тm-2θ, где θ - полуширина полосы температурной зависимости увлечения электронов фононами, измеряют термоэдс между электродами, которая в данных условиях представляет собой эффект увлечения электронов фононами (УЭФ) в материале между электродами.According to
Согласно пункту 2 формулы изобретения электронно-колебательные центры вводят только в обедненную область материала или в примыкающие к электродам части обедненной области материала между электродами.According to
Согласно пункту 3 формулы изобретения в способе по пп.1, 2 с целью определения температур Дебая и частот Дебая кристаллических фононов материала выбирают ΔТ<θ, измеряют температурную зависимость УЭФ, определяют температуры максимумов этой зависимости (Тm) и приравнивают их температурам Дебая кристаллических фононов, а частоты Дебая кристаллических фононов материала вычисляют по формуле According to
Согласно пункту 4 формулы изобретения с целью регулирования величины УЭФ в способах по п.2 устанавливают разность температур электродов (T2-T1) менее θ, (T2-T1)<θ, изменяют температуру материала между электродами как минимум в пределах Тm±3θ.According to
Согласно пункту 5 формулы изобретения в способах по п.2 с целью регулирования величины эффекта УЭФ материал или часть материала между электродами освещают в спектральной области поглощения ЭКЦ или материала или в спектральной области поглощения и ЭКЦ, и материала и изменяют плотность освещения (I) в пределах от I=0 до I=Nс/(ατ), где Nc - эффективное число электронных состояний в зоне проводимости, α - коэффициент оптического поглощения, τ - время жизни электронов в материале между электродами.According to
Согласно пункту 6 формулы изобретения в способах по п.2 с целью регулирования величины эффекта УЭФ, что используют дополнительный полевой электрод или несколько полевых электродов, образующих выпрямляющие контакты к материалу между электродами (р-n переходы, контакты металл-полупроводник или металл-диэлектрик-полупроводник), прикладывают постоянные напряжения смещения между материалом и различными полевыми электродами или между различными полевыми электродами, изменяют величины напряжений смещения и манипулируют полярностями напряжений смещения.According to
Согласно пункту 7 формулы изобретения с целью регулирования величины термоэдс в способе по п.2 между материалом и одним или несколькими дополнительными электродами или между дополнительными электродами прикладывают переменное электрическое напряжение с амплитудой менее полувысоты потенциального барьера для электрона в контакте, выраженной в Вольтах, и с частотой акустоэлектрического синхронизма f=V/2W, где V - скорость звука в материале и W - толщина пластины материала, или V - скорость звука в слое материала на подложке и W - толщина слоя на подложке, или V - скорость звука в подложке и W - общая толщина слоя и подложки, изменяют частоту переменного напряжения в пределах от f/2 до 2f или изменяют амплитуду переменного напряжения, или изменяют частоту и амплитуду переменного напряжения.According to
Согласно пункту 8 формулы изобретения в способах по п.2 с целью регулирования величины УЭФ и уменьшения внутренних шумов в материале между электродами создают поперечное по отношению к линиям тока магнитное поле, напряженность которого выбирают в пределах от 0 до ,According to
где m - эффективная масса носителя заряда (электрона) в материале, k - постоянная Больцмана, - постоянная Планка, р - номер электронно-колебательного уровня ЭКЦ, переходы на который используют для осуществления УЭФ (р=1, 2, 3, …, S).where m is the effective mass of the charge carrier (electron) in the material, k is the Boltzmann constant, - Planck's constant, p - number of the electronic-vibrational level of the ECC, the transitions to which are used for the implementation of the UEF (p = 1, 2, 3, ..., S).
Согласно пункту 9 формулы изобретения в способе по п.8 изменяют величину или направление или величину и направление индукции магнитного поля.According to paragraph 9 of the claims, in the method of
Согласно пункту 10 формулы изобретения в способах по пп.1, 2, 4, 5, 6, 8 с целью уменьшения уровня внутренних шумов УЭФ и увеличения эффекта УЭФ в материале между электродами создают постоянное магнитное поле с напряженностью от 0 до 2 Тесла, направленное параллельно линиям тока в материале между электродами.According to
Согласно пункту 11 формулы изобретения в способе по пп.1, 2, 7 с целью регулирования величины УЭФ в материале создают переменное магнитное поле и изменяют его частоту в пределах от f/2 до 2f, где f - частота акустоэлектрического синхронизма, или изменяют направление его индукции, или изменяют и частоту, и направление индукции.According to
Согласно пункту 12 формулы изобретения в способах по любому из пп.1, 2, 5, 6, 7, 8, 9 с целью получения дополнительной к ΔT разности температур между электродами создают вдоль линий тока в материале между электродами разность концентраций электронно-колебательных центров (ΔN) или разность концентраций электрически активных электронно-колебательных центров, измеряют величину УЭФ, измеряют дополнительную к ΔТ разность температур.According to
Заявленное изобретение характеризуется совокупностью отличительных признаков, а именно введением в материал определенной концентрации ЭКЦ, использованием выпрямляющих контактов к материалу, выбором допустимых расстояний между электродами, образующими эти контакты с материалом, размещением электродов на материале или в его объеме, выбором рабочей температуры материала, равной температуре Дебая одного из типов фононов материала или подложки, выбором разности температур электродов, возможностью регулирования величины эффекта УЭФ вплоть до его устранения за счет освещения материала или части материала между электродами, а также за счет наложения магнитного поля определенной величины и ориентации и изменением величины его индукции, использованием дополнительных полевых электродов, образующих выпрямляющие контакты с материалом между электродами, и манипуляциями напряжениями смещения, подаваемыми на полевые электроды относительно материала, изменением температуры материала, приложением между материалом и электродами электрического напряжения с определенной амплитудой и частотой.The claimed invention is characterized by a combination of distinctive features, namely the introduction of a certain concentration of ECC into the material, the use of rectifying contacts to the material, the selection of permissible distances between the electrodes forming these contacts with the material, the placement of the electrodes on the material or in its volume, the choice of the working temperature of the material equal to the temperature Debye of one of the types of phonons of a material or substrate, the choice of the temperature difference of the electrodes, the ability to control the magnitude of the UEF effect from its elimination by illuminating the material or part of the material between the electrodes, as well as by applying a magnetic field of a certain magnitude and orientation and changing the magnitude of its induction, using additional field electrodes forming rectifying contacts with the material between the electrodes, and manipulating the bias voltages supplied to field electrodes relative to the material, by changing the temperature of the material, by applying a voltage between a material and electrodes with a certain amp cast and frequency.
Таким образом, заявленный способ осуществления эффекта увлечения электронов фононами соответствует критерию изобретения "новизна".Thus, the claimed method of implementing the effect of entrainment of electrons by phonons meets the criteria of the invention of "novelty."
Сравнение заявленного способа осуществления эффекта увлечения электронов фононами с прототипом и другими техническими решениями в данной области техники не выявило технических решений, обладающих указанной совокупностью отличительных признаков. Это позволяет сделать обоснованный вывод о соответствии заявленного технического решения критерию изобретения "существенные отличия".Comparison of the claimed method for implementing the effect of entrainment of electrons by phonons with a prototype and other technical solutions in the art did not reveal technical solutions that have the specified set of distinctive features. This allows you to make a reasonable conclusion about the conformity of the claimed technical solution to the criteria of the invention "significant differences".
Действительно:Really:
Заявленный способ позволяет осуществлять эффект увлечения электронов фононами в узких температурных интервалах вблизи температур Дебая фононов, которые в соответствии с общеизвестными данными о температурах Дебая различных типов фононов в различных материалах могут лежать в пределах от 200 К до (800…1000) К. Таким образом, эффект УЭФ может быть осуществлен в материалах вблизи комнатных и при более высоких температурах, что соответствует цели изобретения.The claimed method allows the effect of electron entrainment by phonons in narrow temperature ranges near the Debye temperatures of phonons, which, in accordance with well-known data on Debye temperatures of various types of phonons in various materials, can range from 200 K to (800 ... 1000) K. Thus, the UEF effect can be carried out in materials near room temperature and at higher temperatures, which corresponds to the purpose of the invention.
К п.1 формулы изобретения.To claim 1 of the claims.
Толщину слоя на подложке согласно экспериментальным данным устанавливают не более 50 микрон. При большей толщине слоя материала наблюдается существенное уменьшение величины УЭФ, в основном за счет шунтирования прилежащего к границе с подложкой слоя материала остальной частью материала, лежащей за пределами этого приграничного слоя, которая оказывается пассивной в УЭФ. Это возможно, поскольку фононы подложки проникают в слой материала не далее, чем на несколько длин акустических волн, что соответствует ожидаемому из расчетов и наблюдаемому на опыте затуханию фононов подложки в слое материала. При толщинах слоя (≈50 мкм) наблюдается ослабление полосы УЭФ при температуре Дебая фононов подложки, а при увеличении толщины слоя (более 50 мкм) происходит возникновение и усиление полосы УЭФ при температуре Дебая фононов материала, а вклад фононов подложки в УЭФ становится несущественным при увеличении толщины слоя материала.The thickness of the layer on the substrate according to experimental data set no more than 50 microns. With a larger thickness of the material layer, a significant decrease in the UEF is observed, mainly due to the shunting of the rest of the material adjacent to the boundary with the substrate of the material lying outside this boundary layer, which is passive in the UEF. This is possible because the phonons of the substrate penetrate the material layer no further than several acoustic wavelengths, which corresponds to the attenuation expected from the calculations and the experimentally observed attenuation of the phonons of the substrate in the material layer. At layer thicknesses (≈50 μm), the UEF band attenuates at a Debye temperature of the substrate phonons, and with an increase in the layer thickness (more than 50 μm), the UEF band appears at a Debye temperature of the phonons of the material, and the contribution of the substrate phonons to the UEF becomes insignificant with increasing the thickness of the layer of material.
Контакты и расстояния между ними.Contacts and distances between them.
Важным является условие, касающееся конструкции электрических контактов к материалу и их положения относительно друг друга. В этом можно убедиться, рассмотрев физические процессы вблизи контактов. На фиг.6 представлена энергетическая зонная диаграмма структуры с контактами металл-полупроводник (контактами Шоттки) в условиях термодинамического равновесия. Здесь Fм и Fпп обозначают уровни Ферми в металле и полупроводнике соответственно. Полупроводник имеет электронный тип проводимости и Fпп близок к дну зоны проводимости Еc. Ev - потолок валентной зоны, а ширина запрещенной зоны полупроводника Еg=Eс-Еv. Высота встроенного потенциального барьера еϕk определяется правилом "2/3", согласно которому положение уровня Ферми на границе металл-полупроводник располагается ниже дна зоны проводимости на 2/3 ширины запрещенной зоны полупроводника, то есть на 1/3 ширины запрещенной зоны полупроводника выше потолка валентной зоны [31]. Из фиг.6 видно, что расстояние между электродами D значительно превышает глубину проникновения в полупроводник электрического поля, вызванного контактной разностью потенциалов, т.е.An important condition is the design of the electrical contacts to the material and their position relative to each other. This can be seen by considering physical processes near the contacts. Figure 6 presents the energy band diagram of the structure with metal-semiconductor contacts (Schottky contacts) under conditions of thermodynamic equilibrium. Here F m and F PP denote the Fermi levels in the metal and semiconductor, respectively. The semiconductor has an electronic type of conductivity and F pp close to the bottom of the conduction band E c . E v is the ceiling of the valence band, and the band gap of the semiconductor is E g = E c -E v . The height of the built-in potential barrier eϕ k is determined by the 2/3 rule, according to which the position of the Fermi level at the metal-semiconductor interface is 2/3 of the semiconductor band gap below the conduction band bottom, that is, 1/3 of the semiconductor band gap above the ceiling valence band [31]. From Fig. 6 it can be seen that the distance between the electrodes D is significantly greater than the penetration depth of the electric field into the semiconductor caused by the contact potential difference, i.e.
где ε - относительная диэлектрическая проницаемость полупроводника, ε0 - электрическая постоянная, е - заряд электрона, ϕk - контактный потенциал, n - концентрация свободных носителей зарядов в разрешенной энергетической зоне (электронов в зоне проводимости n-полупроводника или дырок в валентной зоне p-полупроводника) в состоянии "плоских зон". В таком случае при измерении термоэдс между электродами электроны будут рассеиваться на приконтактных потенциальных барьерах. То есть имеющиеся потенциальные барьеры высотой еϕk препятствуют измерению термоэдс в материале между электродами. Этот нежелательный эффект можно устранить выбрав D значительно меньше L. Соответствующая зонная энергетическая диаграмма изображена на фиг.7. Из фиг.7 видно, что при D значительно меньше L (D<<L) встроенный потенциальный барьер может быть уменьшен до незначительной величины. При этом высота барьера может быть не более kT. Для этого следует уменьшать D. При D значительно меньше L (D<<L) полупроводник в материале между электродами имеет дырочный тип проводимости и отделен от остального объема полупроводника физическим p-n переходом, а встроенные потенциальные барьеры не способны рассеивать электроны, которые беспрепятственно могут проникать в металл, и термоэдс в материале между электродами может быть зарегистрирована путем измерения разности потенциалов между электродами. При этом барьер Шоттки препятствует проникновению электронов из металла в материал между электродами и тем самым исключает их влияние на УЭФ.where ε is the relative dielectric constant of the semiconductor, ε 0 is the electric constant, e is the electron charge, ϕ k is the contact potential, n is the concentration of free charge carriers in the allowed energy band (electrons in the conduction band of the n-semiconductor or holes in the valence band p semiconductor) in the state of "flat zones". In this case, when measuring the thermoelectric power between the electrodes, the electrons will be scattered at the contact potential barriers. That is, the existing potential barriers of height eϕ k prevent the measurement of the thermoelectric power in the material between the electrodes. This undesirable effect can be eliminated by choosing D significantly less than L. The corresponding zone energy diagram is depicted in Fig.7. 7 shows that when D is much less than L (D << L), the built-in potential barrier can be reduced to a negligible value. Moreover, the height of the barrier can be no more than kT. To do this, reduce D. At D much less than L (D << L), the semiconductor in the material between the electrodes has a hole type of conductivity and is separated from the rest of the semiconductor by a physical pn junction, and the built-in potential barriers are not able to scatter electrons, which can freely penetrate into metal, and the thermopower in the material between the electrodes can be detected by measuring the potential difference between the electrodes. In this case, the Schottky barrier prevents the penetration of electrons from the metal into the material between the electrodes and thereby excludes their influence on the UEF.
Аналогичные энергетические диаграммы можно рассмотреть и в случае полупроводника с дырочной проводимостью, полагая, что УЭФ в материале между электродами будет возникать в результате переходов дырок между ЭКЦ. Однако регистрация термоэдс между электродами неизбежно сопряжена с протеканием тока через приконтактные области и, следовательно, неизбежен процесс рекомбинации дырок на границе с металлом, что эквивалентно процессу рассеяния дырок, который не способствует увеличению УЭФ. Кроме того, в данном случае не возникает физический p-n переход и подвижные дырки способны поступать из объема полупроводника в материал между электродами и влиять на УЭФ. Тем не менее, материал с дырочной проводимостью в принципе пригоден для осуществления данного изобретения. Таким образом, условием осуществления эффекта УЭФ в межэлектродном зазоре является условие значительной малости D по сравнению с L (D<<L).Similar energy diagrams can be considered in the case of a semiconductor with hole conductivity, assuming that the UEF in the material between the electrodes will arise as a result of hole transitions between the ECCs. However, the registration of the thermoelectric power between the electrodes is inevitably associated with the flow of current through the contact regions and, therefore, the process of recombination of holes at the interface with the metal is inevitable, which is equivalent to the process of hole scattering, which does not contribute to the increase in UEF. In addition, in this case, a physical pn junction does not occur and moving holes are able to enter from the semiconductor volume into the material between the electrodes and affect the UEF. However, hole-conduction material is in principle suitable for carrying out the present invention. Thus, the condition for the implementation of the UEF effect in the interelectrode gap is the condition of a significant smallness of D in comparison with L (D << L).
Кроме того, исследования зависимости УЭФ от величины D показали, что УЭФ при температурах Дебая достигает максимума во всех исследованных материалах, если D лежит в пределах от 20 мкм до 300 мкм, а за пределами этих значений D величина УЭФ практически затухает, что можно видеть из фиг.8, где представлены соответствующие данные для некоторых материалов. Эти данные соответствуют связи эффекта УЭФ именно со свойствами ЭКЦ и его слабой зависимости от типа кристаллической решетки материала и от вида материала.In addition, studies of the dependence of UEF on D have shown that UEF at maximum Debye temperatures reaches a maximum in all studied materials if D lies in the range from 20 μm to 300 μm, and outside these D values the UEF practically decays, which can be seen from Fig, which presents the relevant data for some materials. These data correspond to the relation between the UEF effect and the properties of the ECC and its weak dependence on the type of crystal lattice of the material and on the type of material.
Концентрации ЭКЦ.ECC concentrations.
Очевидно, что для осуществления УЭФ при рассматриваемом механизме, предусматривающем участие собственных колебаний (и волн таких колебаний), в материал должна быть введена, по крайней мере, минимальная концентрация (Nmin) электронно-колебательных центров. Эти центры с одинаковым успехом можно вводить до, после или во время нанесения электродов на материал или, что одно и то же, до, во время или после создания зазора между электродами шириной D. Минимальную величину концентрации центров Nmin можно оценить исходя из того, что взаимодействие между электронными оболочками электронно-колебательных центров осуществляется посредством акустических кристаллических фононов и такое взаимодействие может оказаться эффективным на расстоянии длины соответствующей акустической волны H=U/F, где U - скорость волны (скорость звука) и F - частота волны. В таком случае N=H-3. Минимальные частоты фононов, эффективно взаимодействующих с ЭКЦ в кристаллах, близки к 1,25·1010 с-1. Исходя из максимальной скорости звука U=9,79·105 см/с и указанной частоты упругой волны для акустических волн (в кремнии), получаем Nmin=2,6·1012 см-3. Приведенная оценка величины N справедлива для любого кристалла, так как кристаллы имеют мало различающиеся постоянные кристаллических решеток и скорости звука в них. Анализ экспериментальных спектров фотопроводимости образцов кремния, содержащих ЭКЦ (А-центры, представляющие собой ассоциации примесных атомов кислорода с вакансиями кремния), позволил определить минимальную концентрацию А-центров (от 2·1012 см-3 до 3·1012 см-3), способную влиять на электрические свойства кремния. Максимальная концентрация ЭКЦ, оказывающих влияние на электрофизические свойства материалов, близка к 3·1017 см-3, что подтверждается экспериментальными данными о фотопроводимости и туннелировании электронов сквозь потенциальные барьеры при электронно-колебательных переходах.Obviously, for the implementation of UEF under the mechanism under consideration, which involves the participation of natural vibrations (and waves of such vibrations), at least the minimum concentration (N min ) of electron-vibrational centers should be introduced into the material. These centers can equally well be introduced before, after, or during the deposition of electrodes on the material, or, which is the same, before, during, or after creating a gap between the electrodes of width D. The minimum concentration of centers N min can be estimated based on that the interaction between the electron shells of the electron-vibrational centers is carried out by means of acoustic crystalline phonons, and such an interaction can be effective at a distance of the length of the corresponding acoustic wave H = U / F, where U is the velocity waves (speed of sound) and F is the frequency of the wave. In this case, N = H -3 . The minimum frequencies of phonons interacting effectively with ECC in crystals are close to 1.25 · 10 10 s -1 . Based on the maximum speed of sound U = 9.79 · 10 5 cm / s and the indicated frequency of the elastic wave for acoustic waves (in silicon), we obtain N min = 2.6 · 10 12 cm -3 . The above estimate of N is valid for any crystal, since crystals have slightly differing lattice constants and the speed of sound in them. An analysis of the experimental photoconductivity spectra of silicon samples containing ECC (A-centers, which are associations of impurity oxygen atoms with silicon vacancies), allowed us to determine the minimum concentration of A-centers (from 2 · 10 12 cm -3 to 3 · 10 12 cm -3 ) capable of affecting the electrical properties of silicon. The maximum concentration of ECCs affecting the electrophysical properties of materials is close to 3 · 10 17 cm -3 , which is confirmed by experimental data on the photoconductivity and tunneling of electrons through potential barriers during electronic-vibrational transitions.
Выбор величины ΔТ=(T2-Т1).The choice of ΔT = (T 2 -T 1 ).
Очевидно, что наибольшая допустимая величина разности температур двух электродов ΔТ=(T2-T1) при измерении контура полосы эффекта УЭФ должна быть как можно меньше и не превышать θ, так как при больших ΔТ она превысит полуширину полосы эффекта на ее полувысоте, составляющую 2θ, измеренный контур полосы УЭФ будет сильно искажен. Эти условия измерения УЭФ соблюдаются в прототипе. В нашем изобретении стоит другая задача, не просто измерить профиль полосы УЭФ, а измерить наибольшую величину УЭФ при наименьших внутренних шумах. Очевидно, что величина УЭФ пропорциональна интегралу от контура полосы УЭФ по интервалу температур. Она будет максимальна, если интервал ΔТ охватывает всю температурную область полосы УЭФ, в основном расположенную между температурами Тm-2θ и Тm+2θ. Поэтому температуры T1 и Т2 должны удовлетворять условиям Т1≥Тm-2θ и Т2≤Тm+2θ2, где Тm - температура в максимуме полосы, равная температуре Дебая фонона, а θ - полуширина полосы на ее полувысоте. На фиг.9 показана такая ситуация. Фиг.9а представляет собой график зависимости температуры материала между электродами от расстояния между ними. Температуры электродов равны T1 и Т2 соответственно, температура Дебая равна Тm. Контур соответствующей полосы УЭФ изображен на фиг.9б при указанных условиях его измерения: Т1≥Tm-2θ и T2≤Tm+2θ с максимумом при Т=Тm. Из фиг 9а и 9б видно, что вклад в УЭФ дает только область материала толщиной ΔХ. Видно, если интервал температур охватывает температуры Тm-2θ и Тm+2θ и превышает его, то интеграл от контура полосы будет стремиться к постоянному значению, а при изменениях температуры в более широких пределах он будет оставаться постоянным. Следовательно, флуктуации температуры в таком случае не вызовут изменения сигнала УЭФ, что обеспечивает понижение уровня внутренних (тепловых) шумов при измерении УЭФ.Obviously, the largest allowable temperature difference ΔТ = (T 2 -T 1 ) for measuring the profile of the UEF effect band should be as small as possible and not exceed θ, since for large ΔТ it will exceed the half-width of the effect band at its half height, which is 2θ, the measured contour of the UEF band will be greatly distorted. These conditions for measuring the UEF are observed in the prototype. In our invention, there is another task, not just to measure the profile of the UEF band, but to measure the largest value of the UEF at the lowest internal noise. It is obvious that the value of the UEF is proportional to the integral of the contour of the UEF band over the temperature range. It will be maximum if the interval ΔТ covers the entire temperature region of the UEF band, mainly located between the temperatures T m -2θ and T m + 2θ. Therefore, the temperatures T 1 and T 2 must satisfy the conditions T 1 ≥Т m -2θ and Т 2 ≤Т m + 2θ 2 , where Т m is the temperature at the maximum of the band, equal to the Debye temperature of the phonon, and θ is the half-width of the band at its half height. Figure 9 shows such a situation. Figa is a graph of the temperature of the material between the electrodes on the distance between them. The temperatures of the electrodes are T 1 and T 2, respectively, the Debye temperature is T m . The contour of the corresponding UEF band is shown in Fig. 9b under the indicated measurement conditions: T 1 ≥T m -2θ and T 2 ≤T m + 2θ with a maximum at T = T m . It can be seen from FIGS. 9a and 9b that only a region of material with a thickness ΔX contributes to the UEF. It can be seen that if the temperature range covers temperatures T m -2θ and T m + 2θ and exceeds it, then the integral of the strip contour will tend to a constant value, and with temperature changes over a wider range, it will remain constant. Therefore, temperature fluctuations in this case will not cause a change in the UEF signal, which ensures a decrease in the level of internal (thermal) noise when measuring the UEF.
Более того, в нашем случае тепловые шумы могут существовать из-за флуктуации температуры только в полосе примерно (Тm-2θ, Тm+2θ). Поэтому температурная полоса (тепловых шумов) в нашем случае не превышает 3θ…4θ, что в несколько раз меньше ширины традиционной температурной полосы тепловых шумов, равной Тm. На фиг.10 приведена ожидаемая (вычисленная) зависимость величины УЭФ от ширины температурного интервала ΔТ, измеренного в единицах θ, и показаны точки соответствующей экспериментальной зависимости для GaAs при D=50 мкм. Из фиг.10 видно, что величина УЭФ достигает «насыщения» и практически не зависит от температуры при ΔT>4θ, что соответствует пониженным (тепловым) шумам и цели изобретения. При этом температуры T1 и Т2 не должны достигать другой температуры Дебая, а также температуры плавления материала или подложки, а наименьшая из этих температур должна быть меньше Tm-2θ.Moreover, in our case, thermal noise can exist due to temperature fluctuations only in the band approximately (T m -2θ, T m + 2θ). Therefore, the temperature band (thermal noise) in our case does not exceed 3θ ... 4θ, which is several times less than the width of the traditional temperature band of thermal noise, equal to T m . Figure 10 shows the expected (calculated) dependence of the UEF value on the width of the temperature interval ΔТ measured in units of θ, and the points of the corresponding experimental dependence for GaAs at D = 50 μm are shown. Figure 10 shows that the UEF value reaches “saturation” and is practically independent of temperature at ΔT> 4θ, which corresponds to reduced (thermal) noise and the purpose of the invention. In this case, the temperatures T 1 and T 2 should not reach a different Debye temperature, as well as the melting temperature of the material or substrate, and the lowest of these temperatures should be less than T m -2θ.
Важно отметить, что способ измерения УЭФ по п.1 формулы изобретения можно использовать для контроля однородности термоэлектрических свойств материала между электродами. Действительно, при этом изменяют температуры T1 и Т2 таким образом, чтобы слой толщиной ΔX, в котором возникает УЭФ, перемещался от одного электрода к другому (см. фиг.9). При определенных значениях температур T1 и Т2 легко определить положение слоя ΔX. Поэтому сканируя слоем ΔX и измеряя УЭФ можно определить зависимость УЭФ от координаты слоя. В неоднородном материале на зависимости, представленной на фиг.10, в области «плато» появятся отклонения от величины «насыщения» УЭФ, отражающие неоднородность термоэлектрических свойств материала (вызванные, например, неоднородностью распределения концентрации ЭКЦ в материале между электродами). В случае однородного материала отклонений от величины «насыщения» УЭФ не будет наблюдаться. Важно отметить, что увеличение градиента температуры (Т2-T1)/D способствует увеличению разрешающей способности способа контроля однородности материала, т.к. способствует уменьшению ΔX.It is important to note that the method of measuring UEF according to
Если величина ΔT достигнет и превысит разность дебаевых температур фононов, то на зависимости УЭФ от ΔТ по мере увеличения ΔТ можно обнаружить две (или более) области нарастания УЭФ и два (три или более) «плато», соответствующих вкладам двух (или большего числа) полос УЭФ.If ΔT reaches and exceeds the difference in the Debye temperatures of phonons, then, depending on the UEF versus ΔТ, as ΔТ increases, two (or more) UEF growth regions and two (three or more) "plateaus" corresponding to the contributions of two (or more) UEF bands.
К п.2 формулы. Заявленный способ может быть осуществлен и в тех случаях, когда ЭКЦ вводят только в части материала между электродами, прилежащие к электродам, поскольку взаимодействие между размещенными в этих частях ЭКЦ осуществляется путем обмена фононами. Эту возможность предложено использовать в п.2 формулы изобретения.To claim 2 of the formula. The claimed method can be carried out in cases where the ECC is introduced only in the part of the material between the electrodes adjacent to the electrodes, since the interaction between the ECC located in these parts is carried out by exchanging phonons. This feature is proposed to be used in
К п.3 формулы. Установленное соответствие температур максимумов узких полос УЭФ в содержащих ЭКЦ материалах температурам Дебая кристаллических фононов предложено использовать для определения температур и частот Дебая фононов материалов. Это могут быть монолитные полупроводниковые материалы или слои материалов на подложках, а также полупроводниковые и диэлектрические подложки. Таким образом, доступным, простым и недорогим термоэлектрическим методом, измеряя температурную зависимость УЭФ, можно определять температуры и частоты Дебая в полупроводниковых и диэлектрических материалах, что важно для исследования новых материалов и структур, без применения сложных и дорогостоящих экспериментальных методов, таких как обычно применяемое для таких целей рассеяние медленных нейтронов. Эта простая возможность определения дебаевых параметров колебательного спектра кристаллических решеток различных материалов предложена для использования в п.14 формулы изобретения.To claim 3 of the formula. It has been proposed to use the established correspondence of the temperatures of the maxima of the narrow UEF bands in ECC materials to the Debye temperatures of crystalline phonons to determine the temperatures and Debye frequencies of phonons of materials. These can be monolithic semiconductor materials or layers of materials on substrates, as well as semiconductor and dielectric substrates. Thus, by affordable, simple and inexpensive thermoelectric method, measuring the temperature dependence of UEF, it is possible to determine the temperature and Debye frequencies in semiconductor and dielectric materials, which is important for the study of new materials and structures, without the use of complex and expensive experimental methods, such as commonly used for such targets the scattering of slow neutrons. This simple possibility of determining the Debye parameters of the vibrational spectrum of crystal lattices of various materials is proposed for use in claim 14 of the claims.
К п.4 формулы. Если разность температур электродов (Т2-T1)<θ, то отклонение температуры материала между электродами от температуры максимума УЭФ (Тm), совпадающей с температурой Дебая фононов, вызывающих данный термоэлектрический эффект, на величину до 3θ и более сопровождается значительным уменьшением УЭФ, что видно из температурных зависимостей УЭФ, приведенных на фиг.1-5. В п.4 формулы изобретения предложено использовать эту температурную зависимость для регулирования величины УЭФ.To claim 4 of the formula. If the temperature difference of the electrodes (T 2 -T 1 ) <θ, then the deviation of the temperature of the material between the electrodes from the temperature of the maximum UEF (T m ), which coincides with the Debye temperature of the phonons that cause this thermoelectric effect, by up to 3θ and more is accompanied by a significant decrease in UEF , which can be seen from the temperature dependences of the UEF shown in Fig.1-5. In
К п.5 формулы. Освещение материала между электродами или части материала между электродами в спектральной области поглощения ЭКЦ или материала создает дополнительные электронные и электронно-колебательные переходы, влияющие на величину УЭФ, что предложено использовать в п.5 формулы изобретения. Наибольшую плотность (интенсивность) освещения можно определить, считая, что освещение существенно не изменит положение уровня Ферми (квазиуровня Ферми для электронов) в материале. Согласно теории рекомбинации электронов и дырок в полупроводниках [4, 5] это соответствует концентрации электронов в зоне проводимости материала n не более эффективной плотности электронных состояний в зоне проводимости To claim 5 of the formula. Illumination of the material between the electrodes or a part of the material between the electrodes in the spectral absorption region of the ECC or the material creates additional electronic and electronic-vibrational transitions that affect the value of the UEF, which is proposed to be used in
где - эффективная масса для плотности состояний, , n=αIτ≤Nс, где α (см-1) - коэффициент оптического поглощения материала, I (фотонов·см-2·с-1) - плотность освещения, τ(с) - время жизни электронов. Поэтому допустимую плотность освещения можно определить из следующего соотношения I≤Nс/ατ.Where is the effective mass for the density of states, , n = αIτ≤N s , where α (cm -1 ) is the optical absorption coefficient of the material, I (photons · cm -2 · s -1 ) is the light density, τ (s) is the electron lifetime. Therefore, the allowable density of illumination can be determined from the following ratio I≤N s / ατ.
Следует отметить, что часто используемая для регистрации излучения фотопроводимость, в нашем случае связанная с ЭКЦ, является отрицательной, то есть проводимость материала между электродами уменьшается при увеличении интенсивности регистрируемого излучения, в то время как в известных фотоприемниках фотопроводимость положительная. При этом, однако, УЭФ увеличивается с ростом интенсивности регистрируемого освещения, так как практически все носители зарядов (и электроны и дырки, как установлено экспериментально) локализуются на ЭКЦ и участвуют в электронно-колебательных межцентровых переходах, увеличивая УЭФ. Кроме того, температурный диапазон УЭФ не более 4θ<<Тm, θ неизменна для каждого материала, что обеспечивает пониженный уровень внутренних шумов УЭФ по сравнению с уровнем шумов известных фотоприемников [32, 33, 34], в которых величина шумов связана с полосой температур, лежащей между 0 К и рабочей температурой материала Т К, ширина которой совпадает с рабочей температурой материала. Поэтому в заявленном способе величина шумов меньше, поскольку определяется величиной θ, которая меньше рабочей температуры материала Т=Тm и не зависит от нее.It should be noted that the photoconductivity often used for detecting radiation, in our case associated with the ECC, is negative, i.e., the conductivity of the material between the electrodes decreases with increasing intensity of the detected radiation, while in the known photodetectors the photoconductivity is positive. In this case, however, the UEF increases with increasing intensity of the recorded illumination, since almost all charge carriers (both electrons and holes, as established experimentally) are localized at the ECC and participate in electron-vibrational intercenter transitions, increasing the UEF. In addition, the temperature range of the UEF is not more than 4θ << Т m , θ is constant for each material, which ensures a lower level of internal noise of the UEF compared to the noise level of known photodetectors [32, 33, 34], in which the noise is related to the temperature band lying between 0 K and the working temperature of the material T K, the width of which coincides with the working temperature of the material. Therefore, in the claimed method, the noise value is less, since it is determined by the value of θ, which is less than the working temperature of the material T = T m and does not depend on it.
Способ по п.5 формулы изобретения может быть использован для регистрации оптического излучения, обеспечивающей пониженный уровень собственных (внутренних) шумов фотоприемного устройства, работающего в окрестности температуры Дебая фононов. Желаемую рабочую температуру такого фотоприемника можно задать путем выбора и применения полупроводника (подложки) с соответствующей температурой Дебая фононов, а область спектральной чувствительности можно выбрать, выбрав полупроводник с соответствующей шириной запрещенной зоны. Область спектральной чувствительности такого фотоприемника складывается из области собственного (основного, фундаментального) поглощения примененного полупроводника и полос электронно-колебательного поглощения центрами (ЭКЦ), расположенными при энергиях оптических квантов меньше ширины запрещенной зоны, что соответствует теории электронно-колебательных переходов и подтверждается экспериментально.The method according to
Интенсивность освещения целесообразно выбирать в пределах от I=0 до I=Nс/(ατ), где Nс - эффективное число состояний в разрешенной энергетической зоне материала, α - коэффициент оптического поглощения материала, τ - время жизни. Действительно, при большей интенсивности света концентрация носителей в материале настолько велика (αIτ>>Nс), что изменение ее уже не влияет на электронно-колебательные переходы и на величину УЭФ.It is advisable to choose the illumination intensity in the range from I = 0 to I = N s / (ατ), where N s is the effective number of states in the allowed energy zone of the material, α is the optical absorption coefficient of the material, and τ is the lifetime. Indeed, at a higher light intensity, the concentration of carriers in the material is so high (αIτ >> N s ) that changing it no longer affects the electronic-vibrational transitions and the UEF value.
К п.6 формулы. Использование дополнительного полевого электрода или нескольких полевых электродов, образующих выпрямляющие контакты металл-полупроводник или металл-диэлектрик-полупроводник к материалу между электродами, приложение между материалом и различными полевыми электродам, вообще говоря, различных напряжений смещения и манипулирование величинами и полярностями этих напряжений позволяет изменять длину и форму линии тока между электродами, что эквивалентно изменению расстояния между электродами и вызывает изменение величины УЭФ. Такая возможность регулирования УЭФ использована в п.6 формулы изобретения.To claim 6 of the formula. The use of an additional field electrode or several field electrodes forming rectifying metal-semiconductor or metal-dielectric-semiconductor contacts to the material between the electrodes, the application between the material and various field electrodes, generally speaking, different bias voltages and manipulation of the magnitudes and polarities of these voltages allows you to change the length and the shape of the streamline between the electrodes, which is equivalent to a change in the distance between the electrodes and causes a change in the value of the UEF. This ability to control the UEF is used in
Использование двух (или более) дополнительных полевых электродов позволяет осуществлять более широкий (например, в сравнении с традиционным полевым транзистором) диапазон изменений величины УЭФ в зависимости от напряжений на полевых электродах.The use of two (or more) additional field electrodes allows for a wider (for example, in comparison with a traditional field-effect transistor) range of changes in the value of the UEF depending on the voltages on the field electrodes.
Очевидно, что величина напряжения смещения обратной полярности на любом из дополнительных электродов не должна достигать напряжения его пробоя, а величина прямого смещения не должна достигать высоты потенциального барьера в контакте (ϕк), измеренной в Вольтах.Obviously, the magnitude of the bias voltage of reverse polarity on any of the additional electrodes should not reach the voltage of its breakdown, and the magnitude of the direct bias should not reach the height of the potential barrier in the contact (ϕ to ), measured in Volts.
Способ по п.6 формулы изобретения может быть использован для создания аналога полевого транзистора с той разницей, что вместо разности электрических потенциалов между истоком и стоком полевого транзистора в изобретении прикладывают разность температур между электродами. Кроме того, используя способ по п.12 формулы, аналогичный прибор может быть реализован и без разности температур электродов, а создавая неоднородное распределение концентраций (электрически активных ЭКЦ). Не исключено и скептическое отношение к данным способам (по пп.6 и 12) в связи со сравнительно невысокими величинами УЭФ, обычно составляющим от единиц до сотен милливольт, однако, например, клетки живого мозга работают примерно при таких же напряжениях, обеспечивают завидную надежность, стабильность, низкое энергопотребление в течение всей жизни организмов. Правда, эта жизнедеятельность организмов сохраняется в узком температурном диапазоне (шириной 2θ градусов) вблизи характерных дебаевых температур органических полупроводниковых структур, клеток, молекул. Такой сравнительно узкий температурный диапазон жизнедеятельности организмов является своеобразной платой за высокую надежность, долговечность и низкий уровень собственных шумов, а также за высокую помехоустойчивость по отношению к действию внешних электрических, магнитных и электромагнитных полей.The method according to
К п.7 формулы. В современной технологии изготовления полупроводниковых приборов обычно используются полупроводниковые пластины толщиной W=200…300 мкм. На одной (лицевой, рабочей) плоской поверхности формируют приборы, а другой - тыльной поверхностью кристалл припаивается к держателю (теплоотводу). Такие пластины материалов с плоскопараллельными поверхностями представляют собой для фононов (для звука в кристалле) резонатор, аналогичный оптическому резонатру Фабри-Перо. Для этого звукового (фононного) резонатора характерна определенная частота акустоэлектрического синхронизма f=1/t, где t - время пролета звуковой волны (звука) от лицевой поверхности до тыльной поверхности пластины и обратно со скоростью звука V. Время пролета t=2W/V. Соответствующая частота акустоэлектрического синхронизма f=V/2W. Если между электродом и полупроводником приложить напряжение с частотой акустоэлектрического синхронизма f, то из-за модуляции этим напряжением высоты потенциального барьера контакта при наличии ЭКЦ и повышенной плотности фононов в области контакта изменяется скорость электронно-колебательных переходов и соответственно изменяется величина УЭФ. Это свойство акустоэлектрического синхронизма в п.5 формулы изобретения предложено использовать для регулирования величины УЭФ. В слоистых структурах важными оказываются и другие частоты акустоэлектрического синхронизма, такие, когда V - скорость звука в подложке и W - общая толщина слоя и подложки, а также когда V - скорость звука в слое и W - толщина слоя на подложке. Эти виды акустоэлектрического синхронизма практически осуществляются и являются важными, так как влияют на электронно-колебательные переходы и на величину УЭФ.To claim 7 of the formula. In modern manufacturing technology of semiconductor devices, semiconductor wafers with a thickness of W = 200 ... 300 μm are usually used. Devices are formed on one (front, working) flat surface, and the other on the back surface, the crystal is soldered to the holder (heat sink). Such plates of materials with plane-parallel surfaces are for phonons (for sound in a crystal) a resonator similar to the Fabry-Perot optical resonator. For this sound (phonon) resonator, a certain frequency of acoustoelectric synchronism is characteristic f = 1 / t, where t is the time of flight of the sound wave (sound) from the front surface to the back surface of the plate and back with the speed of sound V. Flight time t = 2W / V. The corresponding frequency of acoustoelectric synchronism is f = V / 2W. If a voltage with the frequency of acoustoelectric synchronism f is applied between the electrode and the semiconductor, then due to the modulation by this voltage of the height of the potential contact barrier in the presence of an ECC and an increased phonon density in the contact region, the speed of the electron-vibrational transitions changes and, accordingly, the UEF value changes. This property of acoustoelectric synchronism in
Амплитуда напряжения акустоэлектрического синхронизма не должна достигать примерной величины ϕк/2, где ϕк - высота потенциального барьера в контакте, выраженная в Вольтах. В противном случае возникают инжекционные токи, способные нарушить акустоэлектрический синхронизм. На практике оказалось, что достаточно напряжения акустоэлектрического синхронизма с амплитудой от 1 до 500 микровольт.The amplitude of the acoustoelectric synchronism voltage should not reach the approximate value ϕ k / 2, where ϕ k is the height of the potential barrier in the contact, expressed in Volts. Otherwise, injection currents occur that can disrupt acoustoelectric synchronism. In practice, it turned out that the voltage of acoustoelectric synchronism with an amplitude of 1 to 500 microvolts is sufficient.
К п.8 формулы. Магнитное поле. Можно оценить индукцию магнитного поля, если исходить из частоты акустического фонона 1,25·1010 с-1, участвующего в электронно-колебательных переходах ЭКЦ. Действительно, ЭКЦ можно представить как заряженный осциллятор с массой m и зарядом электрона е. Уравнение движения осциллятора, учитывающее действие силы Лоренца в магнитном поле, можно записать так:To claim 8 of the formula. A magnetic field. It is possible to estimate the magnetic field induction, if we start from the frequency of the acoustic phonon 1.25 · 10 10 s -1 participating in the electronic-vibrational transitions of the ECC. Indeed, the ECC can be represented as a charged oscillator with mass m and electron charge e. The equation of motion of the oscillator, taking into account the action of the Lorentz force in a magnetic field, can be written as follows:
где Х - обобщенная (конфигурационная) координата, ω - циклическая частота осцилляции, В - проекция индукции магнитного поля на направление нормали к скорости носителя заряда. Слагаемое, содержащее скорость , учитывает действие силы Лоренца, когда скорость и индукция В взаимно ортогональны. Данное уравнение допускает осциллирующее решение при условииwhere X is the generalized (configurational) coordinate, ω is the cyclic oscillation frequency, B is the projection of the magnetic field induction on the normal direction to the velocity of the charge carrier. Speed term , takes into account the action of the Lorentz force when the speed and induction B are mutually orthogonal. This equation allows an oscillating solution provided
Другими словами, колебательные движения осциллятора с частотой ω возможны, когда В не слишком велико. Если частота колебаний связанного с ЭКЦ электрона фиксирована и определяется свойствами электронно-колебательного центра, то при увеличении В до некоторого значения, определяемого указанным неравенством, колебания центра станут невозможными. Если электрон участвует в сложном колебании центра с несколькими независимыми частотами, то, по мере увеличения В, последовательно окажутся подавленными магнитным полем колебания с частотами в порядке их возрастания. В принципе можно подобрать такую величину В, при которой будут подавлены колебания электронно-колебательных центров с любой частотой. Таким представляется механизм подавления осцилляции ЭКЦ в магнитном поле. Полагая m равной эффективной массе электрона и ω=2π·1,25·1010 с-1, из неравенства (6) получаем минимальное значение критической напряженности магнитного поля для кремния ≈0,25 Тл. Критическая индукция магнитного поля будет принимать значения, кратные минимальному критическому значению, что соответствует участию р=1, 2, 3, …, S или более фононов в эффекте УЭФ.In other words, oscillatory movements of an oscillator with frequency ω are possible when B is not too large. If the oscillation frequency of the electron associated with the ECC is fixed and determined by the properties of the electron-vibrational center, then with an increase in B to a certain value determined by the indicated inequality, the center oscillations will become impossible. If an electron participates in a complex center vibration with several independent frequencies, then, as B increases, the oscillations with frequencies in sequence in order of increase will subsequently be suppressed by the magnetic field. In principle, it is possible to choose a value of B at which oscillations of electron-vibrational centers with any frequency will be suppressed. This seems to be the mechanism for suppressing ECC oscillations in a magnetic field. Putting m equal to the effective mass of the electron and ω = 2π · 1.25 · 10 10 s -1 , from inequality (6) we obtain the minimum value of the critical magnetic field strength for silicon ≈0.25 T. The critical induction of the magnetic field will take multiples of the minimum critical value, which corresponds to the participation of p = 1, 2, 3, ..., S or more phonons in the UEF effect.
На фиг.11 приведена типичная зависимость термоэдс при температуре Дебая LA фонона в монокристалле кремния, содержащего А-центры (≈1014 см-3), от индукции магнитного поля, на которой видны минимумы, расположенные при вычисленных значениях В. Кроме того, из фиг.11 видно, что влияние на УЭФ оказывают магнитные поля с индукцией не более 1,8 Тл, что соответствует участию в УЭФ примерно (S +2) фононов. Учитывая единый для всех ЭКЦ механизм взаимодействия с фононами и магнитным полем в полупроводниках и неравенство (7), можно определить наибольшую индукцию, необходимую для подавления УЭФ в любом материале.Figure 11 shows a typical dependence of the thermoelectric power at the Debye temperature of the phonon LA in a silicon single crystal containing A centers (≈10 14 cm -3 ) on the magnetic field induction, which shows the minima located at the calculated values of B. In addition, from 11 shows that magnetic fields with an induction of not more than 1.8 T have an effect on the UEF, which corresponds to the participation of approximately (S +2) phonons in the UEF. Considering the mechanism of interaction with phonons and a magnetic field in semiconductors that is common to all ECCs and inequality (7), we can determine the largest induction necessary to suppress UEF in any material.
Согласно формуле (6) направленное по нормали к линии тока в материале между электродами постоянное магнитное поле с индукцией не менее подавляет участие фононов с циклической частотой в однофононных электронно-колебательных переходах и вызывает уменьшение УЭФ вблизи соответствующих значений индукции магнитного поля. Переходы ЭКЦ с участием одного фонона с частотой ω возможны на электронно-колебательные уровни энергии , где номер уровня р=1, 2, 3, …, подавляются магнитным полем с индукцией . Кроме того, на эти же электронно-колебательные уровни ЭКЦ, вообще говоря, возможны переходы электронов с участием 2-х, 3-х, 4-х, … фононов и связанные с ними вклады в УЭФ. Из фиг.11 видно, что минимумы зависимости УЭФ от индукции В почти достигают нуля при вычисленных значениях В. Следовательно, вклад в УЭФ 2-х, 3-х, 4-х, …, фононных процессов является незначительным. Следовательно, для подавления вклада в УЭФ электронно-колебательных переходов с участием фононов частоты ω на p-й энергетический уровень необходима индукция магнитного поля . Выбирая индукцию между 0 и можно изменить величину УЭФ, уменьшить шум УЭФ от переходов на уровни с меньшими значениями p, что предусмотрено п.8 формулы изобретения.According to formula (6), the direct magnetic field directed along the normal to the stream line in the material between the electrodes with an induction of at least suppresses the participation of phonons with cyclic frequency in single-phonon electronic-vibrational transitions and causes a decrease in the UEF near the corresponding values of the magnetic field induction. ECC transitions involving a single phonon with frequency ω are possible at electron-vibrational energy levels where the level number p = 1, 2, 3, ..., are suppressed by a magnetic field with induction . In addition, generally speaking, electron transitions involving 2, 3, 4, ... phonons and related contributions to UEF are possible to these electronic vibrational levels of the ECC. From Fig. 11 it can be seen that the minima of the dependence of the UEF on induction B almost reach zero at the calculated values of B. Therefore, the contribution to the UEF of 2, 3, 4, ..., phonon processes is insignificant. Therefore, in order to suppress the contribution of electron-vibrational transitions with the participation of phonons of frequency ω to the pth energy level in the UEF, the induction of a magnetic field . Choosing an induction between 0 and you can change the UEF value, reduce the UEF noise from transitions to levels with lower p values, which is provided for in
Кроме того, на фиг.11 видны минимумы зависимости УЭФ от В числом p=S+2, где S=5 - константа электрон-фононной связи на А-центрах в кремнии. Видно, что активными являются электронно-колебательные уровни до р=7. Следовательно, для подавления колебаний электронов на ЭКЦ достаточна индукция магнитного поля Эта оценка Bmax верна и в других (кроме кремния) полупроводниках, так как значения S в них мало различаются, а при сравнительно высоких концентрациях ЭКЦ в них S близко к 1. Поэтому максимальное значение индукции В, необходимое для полного подавления колебаний ЭКЦ и соответственно УЭФ, можно принять раной 2 Тл.In addition, in Fig. 11, the minima of the dependence of the UEF on В with the number p = S + 2 are visible, where S = 5 is the electron – phonon coupling constant at the A centers in silicon. It is seen that the electron-vibrational levels up to p = 7 are active. Therefore, to suppress electron oscillations at the ECC, magnetic field induction is sufficient This estimate of B max is also valid in other (except silicon) semiconductors, since the S values in them differ little, and at relatively high ECC concentrations in them, S is close to 1. Therefore, the maximum value of induction B necessary to completely suppress ECC vibrations and, accordingly, UEF, you can take a wound 2 T.
К п.9 формулы. Зависимость скорости электронно-колебательных переходов и соответственно величины УЭФ от величины и направления магнитного поля относительно направления линий тока в материале между электродами, что определяется действием силы Лоренца на движущиеся заряды, предложена к использованию для регулирования величины УЭФ в п.9 формулы изобретения.To claim 9 of the formula. The dependence of the speed of electronic-vibrational transitions and, accordingly, the value of the UEF on the magnitude and direction of the magnetic field relative to the direction of the streamlines in the material between the electrodes, which is determined by the action of the Lorentz force on moving charges, is proposed for use to control the value of the UEF in paragraph 9 of the claims.
К п.10 формулы. Магнитное поле с индукцией в от 0 до 2 Тл, направленное вдоль линий тока в материале между электродами, подавляет осциллирующие с частотой фононов движения электронов при электронно-колебательных переходах по нормали к линиям тока. Это оставляет электронам только одну степень свободы движения вдоль линий тока. Согласно общеизвестной теореме термодинамики о равнораспределении кинетической энергии по степеням свободы у электрона остается энергия только kT/2 (вместо 3kT/2 при отсутствии магнитного поля), где k - постоянная Больцмана, что соответствует значительно меньшим термодинамическим флуктуациям, следовательно, и меньшим шумам электронно-колебательных переходов, и, следовательно, меньшим шумам УЭФ, а также способствует увеличению УЭФ. Эта возможность снижения внутренних шумов и увеличения УЭФ предложена к использованию в п.10. формулы изобретения.To claim 10 of the formula. A magnetic field with an induction of from 0 to 2 T, directed along streamlines in the material between the electrodes, suppresses the electron motion oscillating with the phonon frequency during electron-vibrational transitions normal to the current lines. This leaves electrons with only one degree of freedom of movement along streamlines. According to the well-known theorem of thermodynamics on the equilibrium distribution of kinetic energy over degrees of freedom, an electron has only kT / 2 energy (instead of 3kT / 2 in the absence of a magnetic field), where k is the Boltzmann constant, which corresponds to much smaller thermodynamic fluctuations, therefore, lower noise of electron vibrational transitions, and, consequently, lower UEF noise, and also contributes to an increase in UEF. This possibility of reducing internal noise and increasing UEF is proposed for use in
К п.11 формулы. Зависимость УЭФ от величины и направления переменного магнитного поля с частотами от f/2 до 2f в материале между электродами предложено использовать для регулирования величины УЭФ в п.11 формулы изобретения. Такое регулирование величины УЭФ возможно, поскольку магнитное поле (посредством силы Лоренца) с частотой в указанной окрестности частоты f оказывает влияние на акустоэлектрический синхронизм и на УЭФ за счет того, что возбуждаемые при этом акустические волны стимулируют акустоэлектрический синхронизм и электронно-колебательные переходы в зависимости от величины, частоты и направления магнитного поля относительно линий тока в материале между электродами.To claim 11 of the formula. The dependence of the UEF on the magnitude and direction of an alternating magnetic field with frequencies from f / 2 to 2f in the material between the electrodes is proposed to be used to control the UEF value in
К п.12 формулы. При наличии разности концентраций электронно-колебательных центров вдоль линий тока в материале между электродами возникают дополнительные межцентровые электронно-колебательные переходы, вызывающие дополнительный вклад в эффект увлечения электронов фононами и в разность температур между электродами. Необходимую разность концентраций ЭКЦ можно создать при введении центров. Можно также создать соответствующую разность концентраций электрически активных ЭКЦ, например, инжектируя электроны в часть материала между электродами извне или неоднородно освещая материал между электродами.To
Изобретение иллюстрируется чертежами.The invention is illustrated by drawings.
На фиг.1 показана температурная зависимость термоэдс в Si. На вставке слева показана схема включения образца материала при измерениях термоэдс (Е). T1 и Т2 - температуры материала вблизи электродов 1 и 2. На вставке справа приведены пунктирные гауссовы кривые 3, 4, 5, сумма которых, показанная сплошной кривой, описывает контур полосы С.Figure 1 shows the temperature dependence of the thermopower in Si. The inset on the left shows a diagram of the inclusion of a sample of material when measuring the thermopower (E). T 1 and T 2 are material temperatures near
На фиг.2. приведена температурная зависимость термоэдс в InAs. Пунктиром показаны гауссовы кривые, аппроксимирующие наиболее яркие полосы. На вставке слева приведена температурная зависимость термоэдс в легированном серой GaP. На вставке справа приведена дисперсионная кривая собственных колебаний ядер в атомах (I) и дисперсионные кривые акустических колебаний при δ<0, δ=0, δ>0, где δ - параметр, описывающий связь между собственными колебаниями ядер атомов с акустическими колебаниями.In figure 2. The temperature dependence of the thermopower in InAs is shown. Dotted lines show Gaussian curves approximating the brightest bands. The inset on the left shows the temperature dependence of the thermopower in doped gray GaP. The inset on the right shows the dispersion curve of the natural vibrations of nuclei in atoms (I) and the dispersion curves of acoustic vibrations for δ <0, δ = 0, δ> 0, where δ is a parameter that describes the relationship between the natural vibrations of atomic nuclei and acoustic vibrations.
На фиг.3. приведена температурная зависимость термоэдс в пиролитическом графите, измеренная вдоль нормали к атомным плоскостям. На вставке показана аппроксимация полосы L сплошной кривой, являющейся суммой трех пунктирных гауссовых кривых (6, 7, 8).In figure 3. The temperature dependence of the thermopower in pyrolytic graphite, measured along the normal to the atomic planes, is shown. The inset shows the approximation of the strip L by a solid curve, which is the sum of three dashed Gaussian curves (6, 7, 8).
На фиг.4. показана типичная температурная зависимость термоэдс в слое InAs на полуизолирующей GaAs подложке. Кривая 9 измерена при нагревании образца, кривая 10 - при его охлаждении. На вставке - аналогичная зависимость термоэдс в слое InSb на GaAs подложке. Пунктиром показаны аппроксимирующие гауссовы кривые.In figure 4. A typical temperature dependence of the thermoelectric power in an InAs layer on a semi-insulating GaAs substrate is shown. Curve 9 was measured when the sample was heated,
На фиг.5 приведена характерная температурная зависимость термоэдс в слое кремния на сапфировой подложке. На вставке приведена температурная зависимость термоэдс в углеродной нанотрубной пленке на кварцевой подложке. Пунктиром показаны аппроксимирующие гауссовы кривые.Figure 5 shows the characteristic temperature dependence of the thermopower in a silicon layer on a sapphire substrate. The inset shows the temperature dependence of the thermopower in a carbon nanotube film on a quartz substrate. Dotted lines show approximating Gaussian curves.
На фиг.6 изображена энергетическая зонная диаграмма структуры металл-полупроводник-металл при расстоянии между контактами D (вдоль направления Х по нормали к границе раздела металл-полупроводник, вдоль электрической силовой линии в полупроводнике), превышающем глубину (L) проникновения электрического поля, вызванного контактной разностью потенциалов, в материал (D>>L).Figure 6 shows the energy band diagram of the metal-semiconductor-metal structure at a distance between the contacts D (along the X direction normal to the metal-semiconductor interface, along the electric field line in the semiconductor) exceeding the electric field penetration depth (L) caused by contact potential difference in the material (D >> L).
На фиг.7 изображена энергетическая зонная диаграмма структуры металл-полупроводник-металл при расстоянии между контактами D значительно меньше глубины проникновения электрического поля L в материал (D<<L).Figure 7 shows the energy band diagram of the metal-semiconductor-metal structure with a distance between the contacts D is much less than the depth of penetration of the electric field L into the material (D << L).
На фиг.8 приведены типичные зависимости термоэдс, измеренные между контактами Шоттки в содержащих ЭКЦ (~5·1015 см-3) материалах Si, Ge, InAs, GaAs, GaP, InP и представляющие эффект УЭФ при температурах Дебая LA фононов, в зависимости от расстояния между контактами D<<L.Fig. 8 shows typical dependences of the thermoelectric power measured between Schottky contacts in SiC, Ge, InAs, GaAs, GaP, InP materials containing ECC (~ 5 · 10 15 cm -3 ) and representing the UEF effect at the Debye temperature of LA phonons, depending from the distance between the contacts D << L.
На фиг.9а зависимость 11 представляет распределение температуры в материале между электродами. На фиг.9б приведен профиль полосы УЭФ с максимумом при температуре Тm. Пунктирными линиями показано как ширина полосы УЭФ определяет толщину слоя ΔX, в котором возникает эффект УЭФ. Зависимость 12 представляет иное распределение температуры в материале между электродами (при других значениях T1 и Т2), соответствующее другому положению слоя ΔX в котором возникает эффект УЭФ.On
На фиг.10 светлыми квадратами обозначена ожидаемая (вычисленная) зависимость величины УЭФ от разности температур между электродами, измеренной в единицах θ: ΔT/θ=(T2-T1)/θ, из которой видно, что при ΔT>4θ имеется «плато», т.е. достигается «насыщение» величины УЭФ. Темными кружками показаны экспериментальные результаты для эффекта УЭФ, вызванного LA фононами в GaAs при D=50 мкм.In figure 10, the light squares indicate the expected (calculated) dependence of the UEF value on the temperature difference between the electrodes, measured in units of θ: ΔT / θ = (T 2 -T 1 ) / θ, from which it is clear that for ΔT> 4θ there is " plateau ”, i.e. “saturation” of the UEF value is achieved. Dark circles show the experimental results for the UEF effect caused by LA phonons in GaAs at D = 50 μm.
На фиг.11 приведена типичная зависимость термоэдс, представляющая эффект УЭФ в кремнии, при температуре Дебая LA фононов (D=50 мкм << L), от индукции магнитного поля (В), направленного по нормали к линиям тока в материале между электродами.Figure 11 shows a typical dependence of the thermoelectric power, representing the UEF effect in silicon, at the Debye temperature of the phonons LA (D = 50 μm << L), on the induction of the magnetic field (B) directed normal to the current lines in the material between the electrodes.
Использование заявленного изобретения позволяет улучшить свойства известных полупроводниковых приборов (например, фотоприемников) и обеспечить функционирование принципиально новых электронных приборов с пониженными собственными (внутренними) шумами за счет того, что они активны только в узких температурных интервалах шириной (3…4θ) вблизи Тm. Собственные шумы приборов, основанных на эффекте УЭФ и работающих при дебаевой температуре (как правило, превышающей 200 К), определяются не рабочей температурой Тm, а шириной температурного интервала ≅4θ<<Tm и оказываются значительно меньше, чем в известных приборах. Действительно, наиболее типичные виды шумов, таких как радиационный (фотонный), температурный, джонсоновский, генерационно-рекомбинационный зависят от ширины температурного интервала между 0 К и рабочей температурой Т К, представленного в шумовых характеристиках в виде зависимости от Т [32, 33, 34]. Для уменьшения шумов обычно прибегают к охлаждению приборов, т.е. к сужению температурного интервала (0…Т). Поэтому использование эффекта УЭФ в качестве принципа работы приборов обеспечивает достижение пониженных внутренних шумов по сравнению с шумами известных приборов за счет сужения шумового температурного интервала до ширины примерно 4θ<<Tm, то есть в несколько раз по сравнению с рабочей температурой Тm. Такая новая техническая ситуация возможна благодаря тому, что электронно-колебательные переходы между ЭКЦ, вызывающие эффект УЭФ, жестко сопряжены с обменом энергией между ядрами атомов и системой электронов в кристаллах. Этот осциллирующий обмен энергией характеризуется температурой θ, определяется природой атомов кристалла и не зависит от температуры кристалла. Именно поэтому шумовая температура эффекта УЭФ 4θ<<Тm и соответственно шумы приборов, работающих на основе данного эффекта, существенно ниже шумов дрейфовых и диффузионных токов, используемых в известных приборах. Это обеспечивает новым приборам, основанным на использовании эффекта УЭФ при дебаевых температурах фононов, существенные шумовые и функциональные преимущества.Using the claimed invention allows to improve the properties of known semiconductor devices (for example, photodetectors) and to ensure the operation of fundamentally new electronic devices with reduced intrinsic (internal) noise due to the fact that they are active only in narrow temperature ranges of width (3 ... 4θ) near T m . The intrinsic noise of devices based on the UEF effect and operating at a Debye temperature (usually exceeding 200 K) is determined not by the operating temperature T m , but by the width of the temperature interval ≅4θ << T m and turn out to be much smaller than in known devices. Indeed, the most typical types of noise, such as radiation (photon), temperature, Johnson, generation and recombination, depend on the width of the temperature interval between 0 K and the operating temperature T K, presented in the noise characteristics as a function of T [32, 33, 34 ]. To reduce noise, they usually resort to cooling devices, i.e. to narrow the temperature range (0 ... T). Therefore, the use of the UEF effect as the principle of operation of the devices ensures the achievement of reduced internal noise compared to the noise of known devices by narrowing the noise temperature interval to a width of about 4θ << T m , that is, several times compared to the operating temperature T m . Such a new technical situation is possible due to the fact that the electron-vibrational transitions between the ECCs causing the UEF effect are tightly coupled with the energy exchange between the atomic nuclei and the electron system in crystals. This oscillating energy exchange is characterized by the temperature θ, is determined by the nature of the atoms of the crystal, and is independent of the temperature of the crystal. That is why the noise temperature of the UEF effect 4θ << Т m and, accordingly, the noise of devices operating on the basis of this effect is significantly lower than the noise of drift and diffusion currents used in known devices. This provides new devices based on the use of the UEF effect at Debye temperatures of phonons with significant noise and functional advantages.
Более того, известен и другой способ снижения внутренних шумов за счет уменьшения числа степеней свободы у носителей зарядов (у электронов и дырок). Этот принцип реализуется в полупроводниковых квантово-размерных структурах (КРС), которые также называют полупроводниками со сверхрешетками [35, 36], где движение носителей зарядов возможно только в тонких двумерных слоях вещества и носители имеют не три, а только две степени свободы. В соответствии с общеизвестной теоремой термодинамики о равном распределении кинетической энергии по степеням свободы частиц, образующих термодинамическую систему при температуре Т, на каждую степень свободы в среднем приходится энергия kT/2. В КРС каждый носитель заряда имеет только две степени свободы (двумерный электронный газ, 2D - газ) и обладает меньшей средней энергией, равной 2·(kT/2)=kT. Поэтому флуктуации энергии и соответствующие внутренние шумы токов в КРС значительно ниже, чем в объемных монокристаллах. Использование структур с одномерным движением электронов (с одной степенью свободы носителей зарядов), так называемых квантовых нитей, позволяет обеспечить еще меньшие внутренние шумы приборов.Moreover, another method is known for reducing internal noise by reducing the number of degrees of freedom for charge carriers (electrons and holes). This principle is realized in semiconductor quantum-dimensional structures (Raman structures), which are also called semiconductors with superlattices [35, 36], where the motion of charge carriers is possible only in thin two-dimensional layers of matter and carriers have not three, but only two degrees of freedom. In accordance with the well-known theorem of thermodynamics on the equal distribution of kinetic energy over the degrees of freedom of particles forming a thermodynamic system at a temperature T, the energy kT / 2 is on average for each degree of freedom. In cattle, each charge carrier has only two degrees of freedom (two-dimensional electron gas, 2D gas) and has a lower average energy equal to 2 · (kT / 2) = kT. Therefore, the energy fluctuations and the corresponding internal current noise in the Raman spectroscopy are much lower than in bulk single crystals. The use of structures with one-dimensional electron motion (with one degree of freedom of charge carriers), the so-called quantum filaments, allows for even lower internal noise of devices.
В заявленном изобретении используются межцентровые электронно-колебательные переходы, которые по своей природе являются одномерными и, следовательно, позволяют уменьшить внутренние шумы до более низкого уровня, чем в КРС, и даже ниже, чем в приборах на квантовых нитях. Были проведены экспериментальные исследования энергий активации удельного сопротивления полупроводников, содержащих электронно-колебательные центры, а также спектров их оптического поглощения (спектров электронно-колебательных переходов) [22]. Исследования показали, что энергетические уровни ЭКЦ описываются формулой линейного (одномерного) гармонического осциллятора: Е(ν)=Е0(ν+1/2), где ν - колебательное квантовое число, принимающее значения 0, 1, 2, …. В экспериментах определены уровни «нулевых колебаний» ЭКЦ, соответствующих ν=0 и равные Е0/2, где Е0 - квант собственных (I-) колебаний ЭКЦ. В случае двумерных и трехмерных колебаний «нулевые» энергии были бы равны 2·E0/2=E0 и 3·E0/2. Таким образом, было показано, что ЭКЦ представляют собой одномерные осцилляторы, имеющие одну степень свободы. В связи с этим, электронно-колебательные переходы между ЭКЦ также являются одномерными (направленными вдоль градиента температуры, что следует и из теории таких переходов [11, 17-19]). Это соответствует наименьшим шумам. Таким образом, оказывается, что содержащие ЭКЦ полупроводники обеспечивают пониженный уровень шумов в приборах, основанных на увлечении электронов фононами по сравнению с приборами на основе КРС или на квантовых нитях. Так, внутренние шумы инфракрасных фотоприемников на основе содержащих ЭКЦ материалов (Ge, Si, InSb, InP, InAs, GaAs) оказались меньше шумов приборов на основе КРС и на квантовых нитях. Если же учесть очень сложную и дорогостоящую технологию изготовления КРС и квантовых нитей, а также приборов на их основе, по сравнению с приборами на основе объемных полупроводников или полупроводниковых слоев, содержащих ЭКЦ на подложках, то преимущество заявленного изобретения представляется несомненным.The claimed invention uses inter-center electron-vibrational transitions, which are one-dimensional in nature and, therefore, can reduce internal noise to a lower level than in cattle, and even lower than in devices based on quantum fibers. Experimental studies of the activation energies of the resistivity of semiconductors containing electron-vibrational centers, as well as their optical absorption spectra (spectra of electron-vibrational transitions) were carried out [22]. Studies have shown that the energy levels of the ECC are described by the formula of a linear (one-dimensional) harmonic oscillator: E (ν) = E 0 (ν + 1/2), where ν is the vibrational quantum number taking the
Оценим частотные свойства приборов, использующих электронно-колебательные переходы. Для оценки примем, что прибор работает на полосе УЭФ, вызванной акустическими фононами, энергия которых, например в кремнии, равна примерно 22 мэВ (Тm около 265 К), что соответствует частоте акустических фононов f=5·1012 c-1. B каждом электронно-колебательном переходе участвует в среднем S фононов. Вероятность участия S фононов в одном процессе меньше вероятности участия одного фонона примерно в S! раз. Следовательно, ожидаемая рабочая частота может достигать f/S!. Для кремния S≤5. Поэтому рабочая частота прибора может достигать 42 ГГц. Если же прибор работает на полосе УЭФ, вызванной оптическими фононами, то рабочая частота может достигать 85 ГГц. Учитывая, что в материале с высоким содержанием ЭКЦ (более 1015 см-3) величина константы S уменьшается до 1, то рабочие частоты могут достигать сотен ГГц при низких уровнях собственных шумов, при простой и дешевой технологии изготовления приборов, основанных на использовании эффекта УЭФ в материалах, содержащих электронно-колебательные центры. Таким образом, быстродействие приборов, использующих электронно-колебательные переходы ЭКЦ, в принципе ограничивается не пролетным временем носителей заряда, как в известных приборах, а частотами фононов и степенью их связи с центрами, что обеспечивает приборам улучшенные характеристики.Let us evaluate the frequency properties of devices using electronic-vibrational transitions. For evaluation, we assume that the device operates in the UEF band caused by acoustic phonons, the energy of which, for example, in silicon, is approximately 22 meV (T m about 265 K), which corresponds to the frequency of acoustic phonons f = 5 · 10 12 s -1 . In each electronic-vibrational transition, an average of S phonons is involved. The probability of the participation of S phonons in one process is less than the probability of the participation of one phonon in approximately S! time. Therefore, the expected operating frequency can reach f / S !. For silicon, S≤5. Therefore, the operating frequency of the device can reach 42 GHz. If the device operates in the UEF band caused by optical phonons, then the operating frequency can reach 85 GHz. Considering that in a material with a high ECC content (more than 10 15 cm -3 ) the value of the constant S decreases to 1, the operating frequencies can reach hundreds of GHz at low levels of intrinsic noise, with a simple and cheap technology for manufacturing devices based on the use of the UEF effect in materials containing electron-vibrational centers. Thus, the speed of devices using electronic-vibrational transitions of the ECC is, in principle, limited not by the flight time of charge carriers, as in known devices, but by the frequencies of phonons and the degree of their connection with centers, which provides the devices with improved characteristics.
Электронно-колебательные центры вводят в материалы различными известными способами (используя термообработки, легирование, радиационные обработки). Радиационное облучение материалов является одним из наиболее технологичных способов введения ЭКЦ в полупроводниковые материалы и структуры. В связи с этим при работе приборов, использующих ЭКЦ и электронно-колебательные переходы, в условиях радиационного облучения в материал будут вводиться ЭКЦ, что не нарушит работоспособность таких приборов в широком диапазоне доз облучения. Поэтому приборы, основанные на использовании электронно-колебательных переходов, в принципе, обладают повышенной радиационной стойкостью по сравнению с известными приборами.Electronic-vibrational centers are introduced into materials by various known methods (using heat treatment, alloying, radiation treatment). Radiation irradiation of materials is one of the most technologically advanced ways of introducing ECC into semiconductor materials and structures. In this regard, during the operation of devices using ECC and electronic-vibrational transitions, under the conditions of radiation exposure, ECC will be introduced into the material, which will not impair the operability of such devices in a wide range of radiation doses. Therefore, devices based on the use of electronic-vibrational transitions, in principle, have increased radiation resistance in comparison with known devices.
ИСТОЧНИКИ ИНФОРМАЦИИINFORMATION SOURCES
1. Born М., Oppenheimer. Ann. D. Phys. 1927. V.84, №4. Р.457.1. Born M., Oppenheimer. Ann. D. Phys. 1927. V.84, No. 4. P.457.
2. Dirac P.A.M. Proc. Cambridge Phil. Soc. 1930. V.26. P. 376.2. Dirac P.A.M. Proc. Cambridge Phil. Soc. 1930. V. 26. P. 376.
3. Doltsinis N.L., Marx D. Journ. of Theor. and Camput. Chem. 2002. V.1, №2. P.319-349.3. Doltsinis N. L., Marx D. Journ. of theor. and Camput. Chem. 2002. V.1, No. 2. P.319-349.
4. Ансельм А.И. Введение в теорию полупроводников. - М.: Наука, 1978. - С.557-564.4. Anselm A.I. Introduction to the theory of semiconductors. - M .: Nauka, 1978. - S.557-564.
5. Зеегер К. Физика полупроводников. - М.: Мир, 1977. - С.113.5. Seeger K. Physics of semiconductors. - M.: Mir, 1977 .-- P.113.
6. Herring С. // Phys. Rev. 1941. V.59. P.889. - То же.: Herring С., Nichols M.H. // Revs. Modern Phys. 1949. V.21. P.185.6. Herring C. // Phys. Rev. 1941. V. 59. P.889. - Same: Herring S., Nichols M.H. // Revs. Modern Phys. 1949. V.21. P.185.
7. Lark-Horovitz К., Middleton A.E., Miller P., Scanlon W.W. and Wallerstein J. // Phys. Rev. 1946. V.69. P.259.7. Lark-Horovitz K., Middleton A.E., Miller P., Scanlon W.W. and Wallerstein J. // Phys. Rev. 1946. V.69. P.259.
8. Frederikse H.P.R. // Phys. Rev. 1952. V.86. P.647. - To же.: Phys. Rev. 1953. V.91. P.491. - To же.: Phys. Rev. 1953. V.92. P.248.8. Frederikse H.P.R. // Phys. Rev. 1952. V.86. P.647. - Same: Phys. Rev. 1953. V. 91. P. 491. - Same: Phys. Rev. 1953. V. 92. P.248.
9. Johnson V.A., Lark-Horowitz K. // Bull. Am. Phys. Soc. 1953. V.28, №2. P.32.9. Johnson V.A., Lark-Horowitz K. // Bull. Am. Phys. Soc. 1953. V.28, No. 2. P.32.
10. Geballe H.H. // Phys. Rev. 1953. V.92, №3. P.857.10. Geballe H.H. // Phys. Rev. 1953. V. 92, No. 3. P.857.
11. Gurevich L. // Journ. Of Phys. 1945. V.9. P.477; 1946. V.10. P.67. - То же.: ЖЭТФ. 1946. Т.16. С.193-228.11. Gurevich L. // Journ. Of phys. 1945. V.9. P.477; 1946. V.10. P.67. - The same .: JETP. 1946.T.16. S.193-228.
12. Стльбанс Л.С. // Физика полупроводников. - М.: Сов. Радио, 1967. - С.299-304.12. Stlbans L.S. // Physics of semiconductors. - M .: Owls. Radio, 1967. - S.299-304.
13. Herring С. // Phys. Rev. 1953. V.92. P.857. - To же: Phys. Rev. 1954. V.96. P.1163.13. Herring C. // Phys. Rev. 1953. V. 92. P.857. - The same: Phys. Rev. 1954. V. 96. P.1163.
14. Geballe Т.Н. and Hull G.W. // Phys. Rev. 1954. V.94. P.1134.14. Geballe T.N. and Hull G.W. // Phys. Rev. 1954. V. 94. P.1134.
15. Цидилковский И.М., Матвеев В.А. // В кн.: Физическая энциклопедия. - М.: Сов. Энциклопедия, 1990. - Т.2. С.76-77.15. Tsidilkovsky I.M., Matveev V.A. // In the book: Physical Encyclopedia. - M .: Owls. Encyclopedia, 1990. - Vol. 2. S.76-77.
16. Hone J., Ellwood I., Muto М., Mizel A., Cohen M.L., Zettl A., Rinzler A.G., Smally R.E. // Phys. Rev. Lett. 1998. V.80, №5, p.1042.16. Hone J., Ellwood I., Muto M., Mizel A., Cohen M.L., Zettl A., Rinzler A.G., Smally R.E. // Phys. Rev. Lett. 1998. V.80, No. 5, p. 1042.
17. Пекар С.И. Исследования по электронной теории кристаллов. - М., Гостехиздат, 1951. 204 С.17. Pekar S.I. Research on the electronic theory of crystals. - M., Gostekhizdat, 1951.204 p.
18. Huang К. and Rhys A. // Proc. Roy. Soc. 1950. V.A204. P.406.18. Huang K. and Rhys A. // Proc. Roy. Soc. 1950. V.A204. P.406.
19. Пекар С.И. // ЖЭТФ. 1952. Т.22, вып.6, с.641. - То же.: УФН. 1953. т.L, вып.2, с.197.19. Pekar S.I. // JETP. 1952.V.22,
20. Toyazawa Т. // Techn. Report of ISSP (Tokyo). 1961. Ser. A, №16.20. Toyazawa, T. // Techn. Report of ISSP (Tokyo). 1961. Ser. A, No. 16.
21. Вдовенков В.А., Косаковская З.Я., Колосов В.В., Мокеров В.Г. // ДАН. 1999. Т.365, №5, С.611-613.21. Vdovenkov V.A., Kosakovskaya Z.Ya., Kolosov V.V., Mokerov V.G. // DAN. 1999. T.365, No. 5, S.611-613.
22. Вдовенков В.А. // Изв. Вузов. Материалы электрон. техники. 2003. №1. С.57-62.22. Wodenkov V.A. // Izv. Universities. Materials electron. technicians. 2003. No1. S.57-62.
23. Vdovenkov V.A. // arXiv:cond-mat\9904299; arXiv:cond-mat\0207215.23. Vdovenkov V.A. // arXiv: cond-mat \ 9904299; arXiv: cond-mat \ 0207215.
24. Stierwalt D.L. and Potter R.F. // Phys. Rev. 1965. V.137. С.А1007.24. Stierwalt D.L. and Potter R.F. // Phys. Rev. 1965. V.137. S.A1007.
25. Vdovenkov V.A. // arXiv:cond-mat\0207218. - To же: Наукоемкие технологии. 2002. №4. С.55-60. - То же: Микросистемная техника. 2002. №12. С.17-22.25. Vdovenkov V.A. // arXiv: cond-mat \ 0207218. - Same: High technology. 2002. No4. S.55-60. - The same: Microsystem technology. 2002. No. 12. S.17-22.
26. Вдовенков В.А. // Материалы Междунар. научно-практич. конф. Интерматик-2003 «Фундаментальные проблемы радиоэлектронного приборостроения». М., 2003. С.69-70.26. Vdovenkov V.A. // Materials of the Intern. scientific and practical conf. Intermatik-2003 “Fundamental Problems of Radioelectronic Instrumentation”. M., 2003. P.69-70.
27. Вдовенков В.А. // Материалы Междунар. научно-технич. конф. «Тонкие пленки и слоистые структуры». М., 2002, ч.2. С.33-40. - То же.: Материалы Междунар. нуаучно-практич. конф. Полиматериалы-2003 «Межфазная релаксация в полиматериалах». М., 2003. Ч.2. С.111-112. 25.27. Vdovenkov V.A. // Materials of the Intern. scientific and technical. conf. "Thin films and layered structures." M., 2002,
28. Смит Г., Вакабаяси Н. Динамические свойства твердых тел и жидкостей. - М.: Мир, 1970. С.144-146.28. Smith G., Wakabayashi N. Dynamic properties of solids and liquids. - M .: Mir, 1970. S.144-146.
29. Вдовенков В.А. Температурная ширина полос эффекта увлечения электронов фононами в материалах. Материалы Международной научно-практической конф. ИНТЕРМАТИК-2004, «Фундаментальные проблемы радиоэлектронного приборостроения», стр.102-105, Москва, 2004 г. То же: В.А.Вдовенков. Увлечение электронов фононами, обусловленное электронно-колебательными переходами в материалах. Известия ВУЗОВ Материалы электронной техники, №1, 2005, с.65-70.29. Vdovenkov V.A. Temperature bandwidth of the effect of electron drag by phonons in materials. Materials of the International Scientific and Practical Conf. INTERMATIC-2004, “Fundamental Problems of Radioelectronic Instrument-Making”, pp. 102-105, Moscow, 2004. The same: V. A. Vdovenkov. Entrainment of electrons by phonons due to electronic-vibrational transitions in materials. University News Materials of electronic technology, No. 1, 2005, p.65-70.
30. Pastore G., Smargiassi E., Buda F. // Phys. Rev. A. 1991. V.44. №10. P.6334-6347.30. Pastore G., Smargiassi E., Buda F. // Phys. Rev. A. 1991. V.44. No. 10. P.6334-6347.
31. Зи. С. Физика полупроводниковых приборов. Москва, Мир, 1984, т.1, с.283.31. Zee. C. Physics of semiconductor devices. Moscow, Mir, 1984, v. 1, p. 283.
32. Марков М.Н. Приемники инфракрасного излучения. М., «Наука», 1968 г., с.40-48.32. Markov M.N. Infrared receivers. M., "Science", 1968, pp. 40-48.
33. Анисимова И.Д., Викулин И.М., Заитов Ф.А., Курмашев Ш.Д. (под ред. В.И.Стафеева). Полупроводниковые фотоприемники: Ультрафиолетовый, видимый и ближний инфракрасный диапазоны спектра. - М.: Радио и связь, 1984. - 214 с.33. Anisimova I.D., Vikulin I.M., Zaitov F.A., Kurmashev Sh.D. (edited by V.I.Stafeev). Semiconductor photodetectors: Ultraviolet, visible and near infrared spectral ranges. - M .: Radio and communications, 1984. - 214 p.
34. Ван дер Зил А. Шумы при измерениях. М.: Мир, 1979 г., с.69-112, 129-220.34. Van der Zil A. Noises during measurements. M .: Mir, 1979, p. 69-112, 129-220.
35. М.Херман. Полупроводниковые сверхрешетки. М.: Мир, 1989 г., 238 с.35. M.Herman. Semiconductor superlattices. M .: Mir, 1989, 238 p.
36. Басе Ф., Булгаков А.А., Тетервов А.П.. Высокочастотные свойства полупроводников со сверхрешетками. М.: Наука, 1989 г., 287 с.36. Base F., Bulgakov AA, Tetervov AP. High-frequency properties of semiconductors with superlattices. M .: Nauka, 1989, 287 p.
Claims (12)
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2006138918/28A RU2349990C2 (en) | 2006-11-07 | 2006-11-07 | Method of electron-phonon drag |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2006138918/28A RU2349990C2 (en) | 2006-11-07 | 2006-11-07 | Method of electron-phonon drag |
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
RU2006138918A RU2006138918A (en) | 2008-05-20 |
RU2349990C2 true RU2349990C2 (en) | 2009-03-20 |
Family
ID=39798305
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
RU2006138918/28A RU2349990C2 (en) | 2006-11-07 | 2006-11-07 | Method of electron-phonon drag |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
RU (1) | RU2349990C2 (en) |
Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2626195C1 (en) * | 2016-04-26 | 2017-07-24 | Вячеслав Андреевич Вдовенков | Method of effective implementation of hyperconductivity and heat conductivity |
Citations (3)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2131156C1 (en) * | 1998-04-20 | 1999-05-27 | Косарев Александр Владимирович | Thermoelectric converter |
WO2005071765A1 (en) * | 2004-01-13 | 2005-08-04 | Nanocoolers, Inc. | Monolithic thin-film thermoelectric device including complementary thermoelectric materials |
RU2275713C2 (en) * | 2000-06-22 | 2006-04-27 | Инеко, Инк. | Thermoelectric converter and method for heat energy conversion |
-
2006
- 2006-11-07 RU RU2006138918/28A patent/RU2349990C2/en not_active IP Right Cessation
Patent Citations (3)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2131156C1 (en) * | 1998-04-20 | 1999-05-27 | Косарев Александр Владимирович | Thermoelectric converter |
RU2275713C2 (en) * | 2000-06-22 | 2006-04-27 | Инеко, Инк. | Thermoelectric converter and method for heat energy conversion |
WO2005071765A1 (en) * | 2004-01-13 | 2005-08-04 | Nanocoolers, Inc. | Monolithic thin-film thermoelectric device including complementary thermoelectric materials |
Non-Patent Citations (1)
Title |
---|
ВДОВЕНКОВ В.А. Увлечение электронов фононами, обусловленное электронно-колебательными переходами в материалах. - Известия ВУЗов, Материалы электронной техники, 2005, №1, с.65-70. * |
Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2626195C1 (en) * | 2016-04-26 | 2017-07-24 | Вячеслав Андреевич Вдовенков | Method of effective implementation of hyperconductivity and heat conductivity |
Also Published As
Publication number | Publication date |
---|---|
RU2006138918A (en) | 2008-05-20 |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
Bagnall et al. | Simultaneous measurement of temperature, stress, and electric field in GaN HEMTs with micro-Raman spectroscopy | |
Wieck et al. | Observation of resonant photon drag in a two-dimensional electron gas | |
Lundh et al. | Multidimensional thermal analysis of an ultrawide bandgap AlGaN channel high electron mobility transistor | |
KR20110136781A (en) | Apparatus and method for detecting electromagnetic radiation | |
Dyer et al. | Novel tunable millimeter-wave grating-gated plasmonic detectors | |
Regensburger et al. | Broadband Terahertz Detection With Zero-Bias Field-Effect Transistors Between 100 GHz and 11.8 THz With a Noise Equivalent Power of 250 pW/$\sqrt {\text {Hz}} $ at 0.6 THz | |
RU2356128C2 (en) | Method for generation of microwave electromagnet oscillations | |
Druzhinin et al. | Peculiarities of magnetoresistance in InSb whiskers at cryogenic temperatures | |
Sun | Field-effect self-mixing terahertz detectors | |
Chen et al. | Photoelectric tunable-step terahertz detectors: a study on optimal antenna parameters, speed, and temperature performance | |
RU2349990C2 (en) | Method of electron-phonon drag | |
Armakavicius et al. | Cavity-enhanced optical Hall effect in epitaxial graphene detected at terahertz frequencies | |
Otelaja et al. | Design and operation of a microfabricated phonon spectrometer utilizing superconducting tunnel junctions as phonon transducers | |
Liu et al. | Ultrastrong terahertz emission from InN nanopyramids on single crystal ZnO substrates | |
Oner | Sub-Micron Resolution Hyperspectral Quantum Rod Thermal Imaging and Thermal Challenges of AlGaN/GaN Power Devices | |
Yates | EXPERIMENTAL METHODS TO INFORM THERMAL INTERFACE ENGINEERING IN HIGH POWER GAN DEVICES | |
Middleton | Optimising heat flow in high performance wide and ultra-wide bandgap devices | |
Mukherjee et al. | Noncontact Characterization Techniques of GaN-Based Terahertz Devices | |
Beer | Part three-semiconductors chapter XI theory and general information on semiconductors | |
Zhukov | The effect of the electron–Phonon interaction on reverse currents of GaAs-based p–N junctions | |
Dub et al. | Effect of temperature on 2D terahertz plasmons and electron effective mass in AlGaN/GaN | |
Davis | Declaration of Originality | |
Stanton et al. | Imaging phonon drag in gallium nitride | |
Sankin et al. | Terahertz luminescence and electrical characteristics of SiC structures with natural superlattice in strong electric fields | |
Hawker et al. | Energy Relaxation Rate of Hot Electrons in N-Type GaN Epilayers using Heat Pulse Techniques |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
MM4A | The patent is invalid due to non-payment of fees |
Effective date: 20181108 |